张辉
中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司 新疆乌鲁木齐 830000
摘要：随着低空遥感技术的发展，使得无人机测绘技术成为航测领域的一个崭新发展方向。无人机具有机动灵活、生产周期短、成图精度满足工程要求等特点，在电力工程中得到广泛应用。无人机测绘主要用于地形图、带状地形图测绘等（发电厂、变电站、风电场、光伏电站、输电线路等）。现阶段无人机测图方法一般有像控和免像控。本文通过对三种免像控无人机的工作方法进行探讨，探讨免像控无人机测图方法如何满足精度要求，供同行们在无人机地形图测绘中进行参考与指导。
关键词：无人机；免像控；地形图测绘
Discussion on surveying and Mapping method of Image-free Topographic Map of UAV
ZhangHui
(Xinjiang Electric Power Design Institute Co. Ltd of China Energy Construction Group,Urumqi, Xinjiang 830000 China)
Abstract: With the development of low altitude remote sensing technology, UAV surveying and mapping technology has become a new development direction in the field of aerial survey. UAV is widely used in power engineering because of its flexible maneuverability, short production cycle and drawing accuracy to meet the engineering requirements. UAV mapping is mainly used for topographic mapping, banded topographic mapping (power plants, substations, wind farms, photovoltaic power stations, transmission lines, etc.). At present, UAV mapping methods generally have image control and image free control. In this paper, three working methods of image-free UAV are discussed, and how to meet the accuracy requirements of image-free UAV mapping is discussed, which can be used as a reference and guidance for colleagues in UAV topographic map mapping.
Key words: unmanned aerial vehicle;I mage free contro; Topographic map surveying and mapping
1 引言
传统的无人机航摄测图需要一定数量的像片控制点，这些像片控制点是通过外业人员在实地结合地形进行控制测量的方法得到的。但对于丘陵、山区、森林等一些人员很难进入的地区，其像片控制点的布设变得尤为困难，从而也大大降低了无人机航摄测图的精度及应用。随着无人机测控系统和GNSS动态定位技术、CORS技术的快速发展，无人机在减少像片控制点以及免像控测图方面取得了巨大的突破。
2 无人机免像控技术的方法
现阶段无人机免像控技术方法基本有三种：一种是基准站RTK免像控技术（实时差分）；一种是基准站PPK（后差分）免像控技术；一种是区域免像控技术CORS站RTK技术。
2.1 基准站RTK(GPS RTK)免像控技术
基准站RTK免像控技术采用实时差分技术进行定位。测量方法是把RTK设备搭设在无人机上进行低空摄影测量，是利用安装在无人机上与数码相机相连接的GNSS信号接收机和地面基准站上的一台或多台GNSS信号接收机同步且连续接收GNSS信号，通过GNSS载波相位处理差分定位后处理技术解算处相机曝光点的空间位置，随后将两者组成的POS数据作为附加观测值引入摄影测量区域平差模型，已空中控制代替地面控制，利用统一的平差模型和算法，通过整体平差的方式，解算出影像的外方位元素和地面目标点的空间位置。
利用实时差分RIK技术和无人机相结合以实时获取真实曝光点的空间位置，使得在大比例尺测绘地形图是无需像控点也能达到规范的精度要求。
基准站RTK采用实时差分技术测绘地形图时因机载RTK需连续接受基站GNSS信号，因此受到基站GNSS信号辐射半径的限制，大面积测图时对提高作业效率有一定的影响。
2.1.1免像控摄影测量工作原理
基准站RTK无人机测量系统搭载的非测量数码相机的成像模型为小孔模型，物方的任意点的构象都是通过中心投影的方式成像在像平面上，而共线条件是中心投影构想的数学基础，如图1所示。
.png)
（3）
式中：x，y 为像点的像平面坐标；x０，y０，f为摄影的内方位元素；式中系数aｉ，bｉ，cｉ（i＝1，2，3）为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦［2］。
在低空摄影测量中将航摄仪固定安装在无人机上后，机载GNSS接收天线的相位中心位置与航摄仪投影中心的偏心矢量为一个常数，故每次曝光瞬间镜头的中心点S 的空间位置XＳ，YＳ，ZＳ便可测定出来当作已知值，再根据POS系统（定位定向系统）求解相片摄影时姿态角的辅助设备，这样相片的6个外方位元素便可以得到。将外方位元素引入到解析空中三角测量进行区域网联合平差计算，通过地面上的一个基准点，便可获得相当精度的地面加密点坐标［2］。
采用数据后处理软件，影像自动生成高质量三维模型。它通过已知的基准点坐标、无人机获得的航片影像和POS数据自动完成影像定向、空三加密过程，实现免像控自动拼接处理。数据处理过程中进行像片匹配，软件利用SIFT 算子提取每张相片中的特征点并获取其相对应的Descriptor。利用下载的POS 数据对像片进行对齐，利用RANSAC 算法对粗差进行剔除，消除误匹配［1］。生成高密度点云、高精度的DEM、DOM 数据。
2.2 基准站PPK(GPS PPK)免像控技术
基准站PPK(Post Processing Kinematic)免像控技术是利用载波相位事后差分的GNSS定位技术。其测量方法是利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量；通过基准站和移动站同时采集最少两个历元的观测时间,解算主站和移动站的基线解,由于OTF初始化时解决了整周模糊度及其他相关问题,从而使得主站和移动站的共同观测时间减少到只需观测两个历元。事后在计算机中利用GNSS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置；然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标［4］。
利用PPK技术不需要基准站与流动站之间的数据通讯, 因此不受基准站信号半径和地形限制,作业比较简单。作业半径可达到30 km以上。
2.3 区域免像控技术
区域免像控技术（CORS站RTK技术）。是基于CORS系统的RTK测量技术，采用单移动站多基准站模式，基准站的设置也不再依赖于固定的控制点，而是利用多个虚拟的CORS基准站数据点作为基准站，免相控范围不受测区大小限制，不受RTK作用范围限制，不受飞机与地面引导站距离限制，RTK精度不受作业区域大小与距离限制。其测量方法及原理是1：根据无人机作业区域的形状、大小以及RTK算法的精度要求把无人机所在的整个大测区分为N个子测区；利用APCommander地面站控制单元或者JoCORSCollector异地采集单元通过网络连接CORS服务器，将N个子测区的中心位置上传至CORS服务器，获取N个CORS基准站数据依次为CORS_1～N，CORS_1～N依次为1～N个子测区的中心点观测量数据，然后将N个CORS基准站数据送入JoPPS后差分单元；3：JoPPS后差分单元通过无线网络获取无人机上原始观测量数据即移动站数据，计算出移动站数据与每个CORS基准站数据之间的相对位置信息，评估每个CORS基准站数据与移动站数据之间的相对位置信息精度差异，采用择优算法排序得出最优的CORS基准站数据；4：根据最优的CORS基准站数据，采用RTK算法算出无人机的行驶轨迹数据点，然后采用绘图软件，实现无人机行驶轨迹的三维成图。
区域免像控技术也可以采用CORS站PPK技术。
3无人机免像控技术具备的特点
通过对无人机免像控技术分析我们可以得到无人机免像控技术具备以下特点：
（1）通过精密测时技术和差分技术，获取每一张像片拍摄的准确位置，取代传统的地面控制点。基准站RTK和CORS RTK采用实时差分，PPK采用后差分处理测量数据。
（2） 搭载高精度POS 系统实现高精度位置信息获取，同时机身搭载IMU，能够获取相机拍照时的姿态信息，从而实现免像控成图功能［5］。
（3）使用研发软件进行航线规划，设置合适地面分辨率；航线的旁向重叠度；航向重叠度等参数；软件将自动生成航飞路线，且可实现针对地形自适应航高模式飞行。
（4）搭载高频接收机实现拍摄位置信息数据与接收基准站或卫星信号数据同步。
（5） 通过与基准站数据链接计算，获得高精度的定位数据。
（6） 采用数据后处理软件实现影像纠正和自动匹配、拼接。
（7）通过无人机获得的航片影像和POS数据自动完成影像定向、空三加密过程，实现免像控自动拼接处理，从而获得高精度的DEM、DOM数据。
4 工程应用分析
通过工程中的实际应用证明，三种免像控无人机技术测绘地形图基本上均能满足工程精度要求。基准站RTK和基准站PPK在小面积地形图测绘中能满足1:500地形图精度，大面积地形图测绘中能满足1:1000地形图精度。山区丘陵地形能满足1:2000地形图精度，CORS RTK或CORS PPK在平地地形大面积地形图测绘中能满足1:1000地形图精度。山区丘陵地形也能满足1:2000地形图精度
5 结束语
随着无人机免像控技术发展，无人机免像控测图的优势将大幅度凸显出来。相对于工测，其不仅精度满足测图要求，同时大幅度地提高了工作效率，减少了野外作业强度，也节约了成本。无人机免像控技术将成为今后无人机测绘地形图方面的一种趋势。本文通过列举三种无人机免像控技术方法进行探讨，供同行们参考，为今后的无人机测绘工作提供借鉴和指导。
参考文献
［1］周冰，刘佳莹，吴岘． 免外控无人机系统在电厂地形图测量中的应用及精度分析［J］．测绘通报， 2017( S1) : 188-191．
［2］ ：贾彦昌，张斌．免像控无人机航摄系统在1∶500地形图测绘中的应用［Ｊ］．北京测绘，2018，32（9）：1092－1096
［3］ 康学凯． 基于无人机航测系统的无控制测绘试验研究［J］． 矿山测量， 2016， 44( 5) : 61-65．
[4] 何通，无人机测量的空中定位技术分析，城市地理2016(2):87-89.
[5]范秀庆．无人机免像控技术在地形图测量中的应用研究［J］．测绘通报， 2017( S1) : 66-68．
作者简介：张辉：1980-，男，汉族，新疆乌鲁木齐，本科，高级工程师，研究方向工程测量，主要从事电力测量工作。