无人机搭载飞思相机在公路测量中的应用研究

王俊 王梦华

（河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003）

1 引言

当前，我国公路建设处于快速发展阶段，公路设计面临时间紧、任务重、路线方案时有变更等问题。传统航空摄影空域申请复杂，无法满足公路设计对工期的要求。而无人机航空摄影具有高分辨率、受气候条件限制少、机动性好、成本低、实时性强等优点，在公路勘测项目中的应用越来越多[1]。当前大部分无人机搭载的相机为普通单反相机，航摄中存在飞行效率低、影像像幅小、畸变大、重叠度不规则、飞行姿态不稳定等问题，影响了后期成图的质量和精度。本文研究采用的无人机航摄平台及处理系统极大地改善了目前存在的这些问题，对无人机在大范围、高精度测量方面的应用有很强的指导意义。

2 航摄平台与处理系统介绍

2.1 无人机航摄平台

本文研究采用的无人机航摄平台为成都纵横垂直起降固定翼无人机大鹏CW-30。CW-30为双尾撑布局、后推式油动垂直起降，是专为大面积任务范围设计的无人机飞行平台，采用多旋翼与双尾撑固定翼相结合的方式，兼具航时长、速度快、载荷大、结构稳定、可靠性高等特点，最长续航时间已突破6小时，最大任务载荷达到6公斤。CW-30主要应用于大面积、高效率、长航时的飞行任务，尤其适用于每次飞行面积在150平方公里内的项目。由于CW-30的机身尺寸更大，任务载荷能力更强，因此可供选择搭载的大尺寸任务设备就更多。除常见的单反相机外，CW-30还能够搭载激光雷达、多拼相机、光电吊舱以及高光谱、多光谱成像设备，服务更多的领域。

2.2 摄影系统

平台搭载的摄影系统为飞思IXU-RS1000，是飞思航空摄影相机系列中的旗舰产品，像幅大小达到1亿像素。内置的CMOS传感器和创新的电磁中心叶片式快门，使IXU-RS1000有着更快的捕获速率和近乎为零的拍摄延迟速度，保证了专业航空摄影相机所要求的高精度影像质量。相机获取数据采用16位存储，能够在较暗环境下获取地物细节，通过系统搭配的IX CAPTURE软件，操作人员可以实时跟踪以保证影像质量达到最佳效果。使用IXU-RS1000，可确保用户在同一飞行高度拥有更高的地面分辨率，或者在相同的地面分辨率-GSD下，拥有更大的覆盖面积，且容易与常用的飞行管理系统和GPS/IMU接收器集成。

2.3 处理系统

无人机数据空三加密采用的是天工GodWork软件。这是一款成熟、便捷、高效的空三软件，支持通用航空影像、低空影像、多相机影像及倾斜影像的空中三角测量解算，尤其对无人机数据具有很强的适应性，对测区大小、形状、重叠度没有严格限制采用智能化平差技术、大高差大偏角影像立体匹配技术、逐像素级点云获取技术，适用于大偏角影像、大高差地区影像的解算。

3 技术方案与精度分析

3.1 技术方案

本项目是新疆某地的公路项目，带宽300米，航空摄影地面分辨率为7厘米左右，航向重叠70%，旁向重叠40%。由于地处西北荒漠低草地带，飞行之前设计了布点方案，在地面上布设有L形靶标，便于后期像控点测量。

通过航线规划软件在项目范围内规划飞行轨迹，导入地图后，根据设计的曝光点位，隔6～7条基线在道路两侧布设一对外业点，用作空三加密的控制点和检查点。通过野外测量的方式获取像控点坐标。

飞行带有GPS差分系统，飞行的同时在地面设置地面基站，差分固定率达到90%以上，后处理精度可以满足GPS辅助空中三角测量的要求。基于后差分的GPS辅助定向技术，使得无人机摄影装置能够获得比常规飞行更准确的曝光时刻的外方位线元素[2]，能够减少摄影测量空三加密对地面控制点的依赖[3]。

3.2 空三加密

针对低空航摄影像旋偏角大、重叠度不规则的特点，GodWork软件采用SIFT特征匹配[4]与金字塔影像匹配相结合的转点策略，自动提取测图航线间的影像连接点；采用POS辅助影像匹配策略[5]，进行密集同名点匹配。再根据光束法平差，自动剔除误差较大的连接点，经优化调整后，得到航向、旁向连接均匀分布的自由网平差结果。最后将地面控制点导入空三加密系统，通过双目立体视觉方法精确量测地面像控点位置。通过GPS辅助控制网平差获取影像的精确外方位元素，并输出空三精度报告。

软件自动化程度高，“一键空三”功能能够在输入必要数据，如原始影像、相机主距、像元大小、导航POS或者差分数据的情况下，自动完成自由网平差解算，不需要任何人工干预。针对相机存在畸变的情况，采用自检校技术解算出准确的相机主距和畸变参数，在完成控制网平差后，输出无畸变的影像数据和相机参数用于后期3D产品的生产。

3.3 精度分析

根据外业像控点测量情况，选择三种布点方案进行空三加密。第一种方案采用控制点平差，不带差分GPS数据，12条基线布设一对控制点；第二种方案采用GPS差分辅助平差，12条基线布设一对控制点，其余作为检查点；第三种方案采用GPS差分辅助平差，24条基线布设一对控制点，其余作为检查点。三种方案精度统计情况如表1所示。

表1 不同布点方案的精度统计（单位：米）

通过统计可以看出，几种面点方案的平面和高程精度均满足《数字航空摄影测量空中三角测量规范》（GB/T 23236—2009）[6]的要求，可以用于1∶500地形图测绘。

公路测量的另一项工作是测量横断面。根据设计要求，在设计线路中线上利用GPS测量的野外点，用航摄立体采集的方式获取的断面高程中误差应满足公式（1）的要求：

高程中误差≤h/100+L/200+0.1 （1）

其中，L为测点至中桩的水平距离（m），h为测点至中桩的高差（m）。

从上面的精度分析看，方案二可以基本满足设计要求，方案一和方案三达不到设计要求。

4 结论

采用CW-30垂直起降无人机搭载飞思相机进行航空摄影，航时长，覆盖范围大，在航摄效率上较普通单反相机有很大优势。由于飞思相机镜头畸变小，对空三加密和立体测图影响较小，通过自检校技术消除畸变后，不会出现普通单反相机在测图过程中经常出现的模型接边差、精度不均匀等问题。由于像幅大，在后期立体测图、DEM和DOM生产中效率均高于普通单反相机。通过在飞行平台上安装差分GPS，经后处理解算，可以参与空三加密平差处理，减少外业像控点的布设，精度能够满足1∶500地形图测量的需要，按照一定的布点方案，也能够满足道路断面测量的要求。

[1]郑亮,王刊生.稀少控制条件下无人机空三加密及在公路地形测图中的精度分析[J].测绘通报,2017(11):139-143.

[2]吴波涛,刘斌,李云帆,等.差分GPS无人机航测技术测试及分析[J].长江科学院院报,2017(1):142-144.

[3]袁修孝,高宇,邹小容. GPS辅助空中三角测量在低空航测大比例尺地形测图中的应用[J].武汉大学学报:信息科学版, 2012, 37(11):1289-1293.

[4]LOWE D G.Object Recognition from Local Scale-Invariant Features[C].International Conference on Computer Vision,Corfu,Greece,1999.

[5]袁修孝,季顺平,吴珍丽.POS辅助航空影像匹配方法:中国,ZL 200810246336.0[P].2011-08-24.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.数字航空摄影测量空中三角测量规范: GB/T 23236—2009 [S].北京:中国标准出版社,2009.