基于纵横大鹏CW10无人机在1:1000地形图测绘中的应用

无人机驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），简称无人机，目前主要分为多旋翼无人机、固定翼无人机和无人飞艇三类飞行平台。与传统的载人飞机摄影测量相比，无人机有机动灵活、低空飞行、快速获取数字高分辨率影像、操作维护简便、飞行系统成本低等技术优势，通过专业的航摄内业软件一体化处理后，能快速获得4D产品，目前已经广泛服务于城市管理、应急保障、国情监测、土地规划等多个领域。本文从实际生产案例出发，分析和探讨了纵横大鹏CW10垂直起降固定翼无人机（以下简称“CW10无人机”）在1:1000大比例尺地形图生产的可行性，并探讨了无人机航摄一体化成图的质量控制措施。

1　CW10无人机航摄系统简介

CW10无人机航摄系统采用复合翼形式，以常规固定翼飞行器为基础，增加多轴动力单元，在起降及低速状态下按照多轴模式飞行，通过多个螺旋桨产生的拉力克服重力和气动阻力进行飞行；而在高速状态下，按照固定翼模式飞行，通过气动升力克服重力，通过拉力向前的螺旋桨克服气动阻力实现飞行。

主要技术参数如下：飞行总重：12kg；任务载荷：1～2kg；巡航速度：20m/s；最大续航时间：1.5h；起降方式：四旋翼垂直起降；动力系统：40A+10A锂电池；最大翼展：2.6米；抗风能力：5级；搭载相机：sony R7Ⅱ数码相机，影像幅面7952×5304像素，飞行前检校焦距f为35mm，像元大小为4.51μm。

图1　纵横大鹏CW-10装配外观

2　航摄技术设计

2.1　测区概况

测区位于某经济合作区西部，面积约为10km²，平均海拔约为10m，最高约为35m，最低约5m，地势平坦，空域状况良好。测区处于亚热带季风气候区，主要风向为西南风，常年平均风力为3～4级，风向较为稳定，风向风力满足无人机正常起降要求。航线根据测区分布，沿东西方向布设。

2.2　工艺流程设计

CW10无人机航空摄影测量主要分为准备工作、航摄外业、空中三角测量和一体化成图四个主要流程，如图2所示。

图2　CW10无人机航摄1:1000地形图测绘技术流程图

2.3　相机参数设置

相机参数设置包括曝光时间、光圈调节和感光度（ISO）调节，其中像点位移与曝光时间的公式如下：

式中，a为像点位移，一般要保证像点位移不能超过1/3个像素；v为无人机飞行速度，单位为m/s；t为曝光时间，单位为s；GSD为地面分辨率，单位为m。

通过调整光圈值来控制光线透过镜头的进光量大小。在快门不变的情况下，光圈（用F表示）越小，进光量越多，画面比较亮；光圈越大，画面比较暗，在正午前后航摄，光圈一般设置为：11.0≥F≥8.0。

通过调整感光度来调节数码相片的亮度，但过高的感光度容易增加像片噪点。正午前后感光度（ISO）设置为250。

2.4　航高设计

根据规范要求，1:1000比例尺地形图生产，正射影响地面分辨率最小为0.1m，航高根据以下公式确定：

式中，H为航高，单位为m；f为相机焦距，单位为mm；&为相机像元尺寸（像素大小），单位为μm；GSD为地面分辨率，单位为m。

2.5　航摄因子/参数计算

本项目航摄因子/参数计算表见表1。

表1　航摄因子/参数计算表

从表1可得，将航摄任务区划定为一个航摄分区，分区内总飞行时间约为52分钟，满足CW10无人机单次飞行续航要求（最大续航时间：1.5h）。下图为航摄分区航线布设图。

图3　航摄分区航线布设图

3　航摄实施

3.1　像控点布设及标刺测量

本项目像控点布设采用全野外飞前布控法，航线跨度控制在4～6条、控制点间基线数控制在6～7条，高程控制点间基线数控制在6～10条。控制点尽量选在上下两条航线六片重叠范围内，使布设的控制点能用于多张像片。控制点标刺首先进行目范围的大致圈定，外业实地对目标位置进行标刺，外业刺点误差和刺孔直径均不得大于0.1mm。内业根据相关地物认真寻找影像同名地物点，经确认无误后，在相片上相应位置上刺出点位，本项目采用GPS RTK定位技术测量像控点。野外像控点尺寸设计如图4所示。

图4　野外像控点设计图

3.2　数字航空摄影

CW10无人机具有垂直起降固定翼的特点，对起降场地要求较低，一般在35m×35m的平整、空旷场地即可完成起降动作，应用GCS-202地面站和数传系统，可全程利用CWCommander地面站软件对无人机进行控制。CW10无人机数字航空摄影的操作流程如图5所示。

图5　CW10无人机航空摄影操作流程图

4　一体化成图

4.1　空中三角测量

空中三角测量采用武汉航天远景研发的DATMatrix数码新空三软件进行定向建模、空三加密，并采用PAT-B光束法进行区域网优化平差。为保证DATMatrix空三加密精度满足规范要求，在进行航带连接时，应保证航向和旁向像片上都应有连接点。在进行绝对定向时，首先选取测区四角像控点进行平差验算，然后逐渐向测区内添加控制点进行加密平差。

4.2　核线影像生成与影像匹配

将DATMatrix数码新空三加密成果导入MapMatrix软件中，通过恢复立体像对，自动生成核线影像，然后选取立体像对文件进行影像匹配处理，在此基础上，就可以利用MapMatrix软件及测图平台系统进行1:1000立体测图生产。

4.3　外业调绘和补测

4.3.1　外业调绘底图的制作

为保证外业调绘和补测的精度，外业调绘前，首先利用MapMatrix软件在影像匹配后自动生成数字高程模型（DEM），通过数字微分纠正的方法，进行影像匀光匀色处理，DOM纠正、色调均衡处理及镶嵌生成垂直投影的正射影像图（DOM），然后通过局部裁剪和分幅，完成外业调绘底图的制作。

（2）像片调绘本项目采用先室内判读、清绘，后野外检核和调查，再室内修改和补充清绘的方法。调绘内容包括测量控制点、水系、居民地及设施、独立地物、交通设施、管线调绘、境界、地貌、植被与土质、地理名称等。

4.4　内业清绘及整饰

对像片上各种明显的、依比例尺表示的地物，对性质、数量进行说明，其位置、形状应以内业立体模型为准，调绘片应分色清绘。清绘整饰的基本内容包括各种属性和注记上图、导入野外全数字采集的新增、补测的地物、屋檐改正、符号化处理及图幅整饰及接边检查。

5　质量控制

5.1　航线设计质量控制

航线质量控制是指在对相机参数设置、航高设计和航摄因子计算完成后，对设计好的航线进行检查。首先对曝光点坐标、重叠度、基线长度、航线条数、及像片总数量、航摄时间等进行严格检查，其次，根据任务区地形高差判断航摄分区和摄影基面是否合理，同时根据已有影像检查像主点是否落水。

5.2　飞行质量控制

比起传统的载人大飞机航摄，CW10无人机因飞行载荷较轻，翼展较短，在执行航空摄影时，极易受到气流和风力的影响，飞行姿态不稳定导致像片倾角过大、航线弯曲度和像片比例尺不一致等现象，因此，起飞前必须设计合理的航高，选取最适宜的天气和时间进行航摄，在成本控制合理的情况下，尽量设计较大的航向和旁向重叠度。为提高航测内业高程数据釆集的精度，在安装数码相机时，可将相机的阵面的长边平行于航线方向放置。

5.3　空三加密质量控制

在使用DATMatrix进行空三加密建立连接点时，选取像控点应由外而内逐渐增选控制点进行平差结算，分批次进行平差解算合格后再进行加密。在利用PAT-B进行平差后剔除粗差点时，应按照由大到小的原则，依次剔除粗差点，按照这样的平差流程可提高平差精度。

5.4　影像畸变差去除

CW10无人机航摄影像畸差主要是由于数码相机造成的系统畸变，另外航摄时的光线和姿态也会产生畸变差，去除畸变差有利于提高地形图的高程精度，常用的方法是在飞行前一天对相机进行检校，以获取准确的畸变参数，然后利用MapMtrix软件通过对原始影像进行几何校正和辐射校正从而去除畸变差。数码相机检校可在飞前和飞后进行，但是实际生产中，由于飞机降落震荡及飞后数码相机的运输条件不可控，推荐飞前检校。

6　结语

近几年，由于多旋翼无人机不受场地限制、可悬停、成本低等优点的影响，其型号及数量迅猛增长，但是受制于动力、气动布局等因素，多旋翼在航程、速度、飞行时间等方面难以满足越来越严苛的用户需求。虽然纯固定翼无人机续航时间长、速度高，但却需要起飞跑道，降落伞故障等大大制约了其可用性。本文基于CW10无人机的垂直起降固定翼技术优势，结合某经济合作区1:1000地形图生产实践，介绍了垂直起降固定翼无人机低空数字航空摄影的生产工艺流程，同时，简要论述了实际应用过程中的质量控制方法，对于起降场地条件较差的山地丘陵及建筑密集的中小区域1:1000比例尺地形图生产具有一定的参考意义。

参考文献

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（作者系深圳市工勘岩土集团有限公司注册测绘师）