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固定翼无人机航空摄影量测精度探讨
作者:程崇木 张俊华 孙炜 唐建林 高宇     来源:     类别:     日期: 2012-05-21 14:19:26     浏览次数:2827

摘要:本文通过对固定翼无人机航空摄影测量系统的主要误差来源进行分析,探讨利用无人机作为飞行平台,搭载加固改装后的中幅面CCD相机进行测绘航空摄影,有效改善测绘3D产品精度的可行性方法。
        Abstract: In this paper, it analyzes the error resource of the aerial photogrammetry by the fixed wing pilotless aircraft, and researches the feasibility method of improving the 3D survey products effectively through the aerial photogrammetry by the pilotless aircraft carrying the reinforced middle format CCD camera.

        关键词:无人机 测绘航空摄影 CCD 畸变差 基线
        Keywords: Pilotless Aircraft Aerial Photogrammetry CCD Distortion Error Base Line


        一、 引言
        随着固定翼无人机航空摄影系统的推广与应用,采用固定翼无人机航空摄影系统进行高分辨率航空影像获取变得日益广泛,固定翼无人机航空摄影测量系统进行测绘航空摄影,由于遥感平台与传感器与传统测绘航空摄影有着较大的差异,我们在进行本系统的研制过程中,对于产生影响最终产品质量的主要误差进行分析,并提出解决思路,我们借此与测绘同仁共同探讨,以期促进无人机航空摄影能够在测绘航空摄影发挥其便捷、经济的优势。
       

二、 摄影测量误差来源
        武汉海地测绘科技有限公司研制的固定翼无人机摄影测量系统经过3年的研制,最终应用与航空摄影测量生产,针对本系统,我们结合在其研制与生产过程中产生影响测绘3D产品的精度,对其主要误差来源总结为以下三个方面:
        1、 仪器误差:由于仪器设计、制作不完善,或经检验校正还存在残余误差,给观测值带来的误差。这部分误差主要包括传感器可量化过程带来的系统误差;
        2、 人为误差:由于人的感觉器官鉴别能力的限制,技术水平的高低和工作态度的好坏,给观测值带来的误差。像控识别引起的误差、空三及航测内业数据采集产生的人为误差;
        3、 气候等外界因素影响产生的误差。这部分误差主要由天气状况对飞行姿态以及成像质量影响引起的。
        由于气候等外界因素的不确定性,我们在本文主要分析讨论上述三个方面的主要误差来源的第一项和第二项—仪器误差和人为误差。
       

三、 传感器带来的仪器误差分析
        由于固定翼无人机的载重及体积的原因,我们在系统研制时无法搭载常规的航摄仪进行测绘航空摄影,目前我们选用的是中幅面CCD作为传感器的感光单元,经过加固和电路改装以后,形成具有稳定内方位元素的数码相机,但是,由于其CCD阵面的非正交性、非正方形因子以及物镜组的径向和切向畸变差的影响,必须对该数码相机进行可量测化工作,否则,由于该系统误差的影响,导致获得错误的量测数据。
        由于感光单元的非正方形因子和非正交性以及畸变差的存在,通过加固改装后的相机获取的数码影像(立体像对)存在各种类型的畸变差,由于畸变差的存在,无法获取满足精度要求的测量成果。而这些畸变差主要是由于物理镜头引起的,我们可以通过数学模型,建立畸变差就正模型,获取个畸变差系数,然后对影像进行纠正,从而获取可量测影像。
在像坐标系下,畸变差改正模型采用下式:


          同时,可以通过构像共线方程来进行解算加固改装后的相机内方位元素:
(3)

由此,我们可以获取相机可量测化的所有误差因素参数,固定翼无人机航空摄影获取影像后,通过对这些误差因素参数的改正,得到的重采样数码影像既可以满足摄影测量的要求。
        我们可以通过实例观察这些误差对测量造成的精度影像。


图1.原始影像与可量化影像的套和结果


图2.从影像中心到边缘,相机畸变差等对成像的影响
 

从图1和图2,我们可以直观地看出,加固改装后的CCD相机,存在这非常大的误差(仪器误差),本例影像航高500米,地面实际分辨率为8厘米,在光轴中心到影像的边缘,这种误差逐步加大,最大到边缘部分为30个像素左右,平面误差约在2-3米之间,很显然,这种仪器误差是测绘航空摄影所不能接受的,必须通过标定,对这种误差进行处理和消除,将其限定在一定范围内,以满足测绘航空摄影的要求。
 

四、 航测内业数据采集测量误差分析
        固定翼无人机航空摄影系统往往采用现有的CCD阵面进行加工制作传感器部分,其传感器阵面受制于CCD厂商加工工艺的制约,一般均为矩形阵面的CCD,这点与传统正方形幅面有所不同,那么在航空摄影的同时,CCD阵面的放置方向将会影像摄影测量内业成图的量测交会角度的大小,从而影响到像平面坐标量测精度。
        我们以武汉海地测绘科技有限公司研制的固定翼无人机航空摄影系统所搭载的传感器来分析,其CCD阵面像素为8984行×6732列像素数,象元尺寸为6微米,鉴定焦距为46.2132毫米,按航向60%的重叠度进行航空摄影,那么其像方基线长度为:
        b= (1-60%)×lx
        那么,像点交会角为:
        θ=atan(b/f)
        以δ表示作业员在航向方向量测的左右视差误差,一般按象元尺寸的1/3来估算,m为航摄比例尺分母,那么由于作业员量测误差产生的平面精度影响为:



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