微型无人机航测在大比例尺地形图测绘中的应用

微型无人机航测在大比例尺地形图测绘中的应用

苏奇

云南省国土资源规划设计研究院云南昆明650216

摘要：微型无人机由于成本低廉，灵活性强，操作简单，已经被广泛应用于地理空间信息数据采集。为了研究是否可以应用于大规模地形测绘，测量精度是否达到标准要求，本文借鉴传统航空摄影测量方法，将微型无人机技术应用于29个测量区管道调查。通过优化飞行无人机设计，合理布设地面控制点，实现空中三角加密，正射影像和地面高程模型等操作。用田间试验结果验证田间试验结果，获得29组不同精度的统计数据。结果表明，无人机航测技术的平面精度能满足规范要求，可应用于大比例尺地形图的平面测量。

关键词：微型无人机；航测；影像；地形图

引言

航空摄影测量是获取大量地理信息数据的主要方法之一。随着技术的进步，航空摄影测量已广泛应用于中小地形图在广泛领域的绘图。与传统的全站仪，GPS-RTK等现场采集方法相比，航空摄影测量在测绘周期，数据采集效率和人工成本方面具有一定的优势。然而，传统的航空摄影测量往往受到飞行高度，空中交通管制，着陆条件等因素的限制，不能满足小范围地形测绘的需要。近年来，随着无人机技术的兴起和发展，为大规模地形测绘提供了新的方向。

1微型无人机摄影测量系统

无人机是一种动力驱动，机载，无人驾驶，可重复使用的航空器，具有远程，半自主和自主控制功能。无人机摄影测量系统包括航空图像采集系统，地面控制系统和图像处理系统。微型无人机摄影测量系统将高度集成元件和小型化，达到小型化和轻量化的目的，同时与一般无人机摄影测量系统的所有功能。空中图像采集系统主要由无人机飞行平台，飞行控制系统和图像传感器组成。①按照无人机飞行平台的技术结构可分为固定翼无人机，无人直升机，多旋翼无人机，无人飞艇。固定翼无人机飞行效率高，远航长，常用于专业的无人机摄影测量；无人直升机载重，飞行时间长，常用农林喷洒农药；多旋翼无人机操作简单，姿态稳定，常用于业余摄影；无人机相对于其他无人机最为安全，失去动力也不会马上下降，常用于城市地区的摄影测量。飞行控制系统是无人机航空图像采集系统的大脑，用于控制飞机的飞行和所装备的设备。飞行控制系统由自动驾驶仪，GNSS接收机，惯性导航系统，气压传感器，空速传感器，无线电遥控系统等组成，用于无人机的定位，导航和自主飞行。飞行控制系统可将实时无人机电池的电量（燃料油），位置，高度，发动机转速，飞行速度，飞行方向等参数传送到地面控制系统进行无人飞行控制，实时控制不飞行手的机器状态。③图像传感器是搭载无人机任务装备的任务，根据无人机任务可选单反相机，微单相机，卡片相机，普通定焦镜头。在飞行过程中，飞行控制系统控制相机快门通过相机控制系统进行点曝光拍摄，在曝光时间内记录精度，纬度，高度，滚动角度，俯仰角度，航向角度等信息。地面控制系统负责飞行前的路线规划和设计，控制无人机的起飞和着陆，监视飞机的实时状态，并将飞行控制人员的指示传送给无人机。飞行控制软件，遥控设备，数据传输和处理设备任务完成后，负责导出图像数据和飞行姿态数据，并进行现场快速检查。图像处理系统由计算机工作站和摄影测量软件组成。无人机获得的图像处理方法的基本原理与传统的航空图像处理方法相同，只是无人机获得的图像幅度小，地面覆盖率小，图像重叠大，失真大，需要提取多个连接点，导致传统的摄影测量处理方法无法满足无人机图像处理的需要。无人机图像处理系统可以根据POS数据自动建立飞行中和飞行模型之间的拓扑关系，自动提取相同的名称点，并用少量照片控制点自动调整相对方位和空中三角测量调整在生成各种具有人机交互的地形图时，生成地表立面模型，正射影像和3D模型会自动切换模型。

2测绘应用

2.1测量系统选择

图像数据POS数据控制点相机参数根据POS数据建立图像之间的拓扑关系提取图像特征点信息匹配点与同名同名信息，排除粗略点建立图像连接点迭代加密操作区域调整网络地表高程模型，地面点云数据和正射影像地图矢量地形图鉴于任务有分散的工作区域和小面积的这个摄影测量工作选择的特点Phantom2vision+无人机完成图像数据采集任务。Phantom2vision+微型无人机是专为无人机摄影而设计的四旋翼无人机，包括飞行控制和图像传感器，以及同伴地面控制系统。其操作简单，飞行安全，结构紧凑灵活，可根据预先设定的程序进行自主飞行，也可由操作人员通过无线电遥控设备进行飞行。

2.2航线设计

从图像分辨率和地面分辨率可以计算单幅图像地面覆盖面积150m×112.5m。重叠度为35％，每条路线之间的距离为73m。重叠程度是65％。每个曝光点之间的距离是52.5米。考虑到Phantom2vision+UAV最大飞行距离为2.8km，对阀室和站台采用不同的设计：阀室平行于阀室布置五条长路线，每条航线长度为420m，共1架次完成，实际飞行面积420m×365m，确保有效覆盖面积大于测绘面积；车站路线平行于车站布局的长边八条航线，每条航线620米，完成2架次，每条航线四条航线，实际航班面积620m×584m，确保有效覆盖面积大于地图面积。

2.3航摄数据检查

每个工程点航拍完成后，现场进行数据下载，利用AutoCAD软件现场进行航拍照片漏洞检测，图像重叠度检测，图像旋转角度检测，航空曲率检测，调查范围覆盖检查。使用图像浏览软件检查图像质量。由于Phantom2vision+UAVPOS数据不能单独导出，因此曝光点位置仅记录在照片的属性中，此时不执行图像下陷和高度保持检查。这个任务只在22个阀房摄影中发现三张照片不完整的记录，现场当时补上了飞，其他网站发现没有问题。

2.4精度验证及高程补测

29个阀室（站）的操作，是精度验证和高程测试。其中，准确性验证包括数学准确性验证和地理准确性验证。数学准确性验证通过网络RTK测量方法测量每个站（阀室）中特征点的点，并将其与图坐标进行比较，计算每个点的点误差。室）检查，对图纸的各个要素进行全面检查。现场检查验证了地形图元素正确表达，合理选择，表面装饰清晰，符合要求。高程补偿试验采用网络RTK测量方法和数学准确性验证的同时，按照现场的高程逼近阀室（站址）测得的高程点，并有一些共享点。

结语

用于摄影测量的微型无人机还不够成熟。在绘制大比例尺地形图的过程中，低仰角精度是制约其应用的主要瓶颈，特别是在难以满足要求的水平地面上。但是，在乡镇，工厂等复杂的小地区进行大规模的地形测绘时，借助微型无人机的摄影测量，可以提高作业效率，降低成本，确保施工周期。同时，地形图测绘作业只能测量少量的控制点和高程点，减少了大量的特征点测量。与配备单反相机的动态三角翼摄影测量系统和专业远程无人机摄影测量系统相比，微型无人机摄影测量系统具有成本低，自动化程度高，体积小，携带方便，空域小限制，受气候和季节的影响很小。尽管微型无人机摄影测量仍然不足，但尚不足以用于大规模地形测绘。然而，将其作为工程测量和传统航空摄影测量的辅助手段仍然是一个很大的优势。缺乏传统航空测量和工程测量为大规模地形图的绘制提供了补充手段。随着电子技术的飞速发展和民用微型无人机的不断推广应用，微型无人机在摄影测量中的应用将越来越成熟，其应用领域将越来越广泛。

参考文献：

[1]吕立蕾，张卫兵，胡树林，等.低空无人机航摄系统在长距离输油（气）管道1：2000带状地形图测绘中的应用研究[J].测绘通报，2013（4）：42-45，55.