四旋翼無人機(jī)影像獲取及DOM生產(chǎn)研究

連 蓉

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于重慶市綦江區(qū)永新鎮(zhèn)，鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)地貌屬丘陵類型，面積約為1.5 km2。首先采用天鷹-1000型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行低空攝影，獲取具有一定重疊度的影像并對其進(jìn)行飛行質(zhì)量檢查；然后利用NPHO數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)分別進(jìn)行了基于POS數(shù)據(jù)及利用區(qū)域內(nèi)歷史資料選取像控點2種方式的空中三角測量、DEM制作及編輯、DOM糾正、DOM鑲嵌勻色等工作，最終對2種方式生產(chǎn)的DOM成果的精度及質(zhì)量進(jìn)行了對比評價，如圖1所示。

2 四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)集成及航空攝影

2.1 四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)集成

本研究所用的四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)為天鷹-1000型。其通過陀螺儀、加速計、GPS位置、方向傳感器、高度傳感器等進(jìn)行姿態(tài)檢測和控制，有效穩(wěn)定了飛行姿態(tài)。搭載奧林巴斯 EP-3相機(jī)，可控制俯仰和滾轉(zhuǎn)的相機(jī)云臺帶陀螺自穩(wěn)功能，能夠進(jìn)行低空影像拍攝。具體參數(shù)如表1所示。

表1 天鷹-1000四旋翼無人機(jī)技術(shù)參數(shù)表

地面操控系統(tǒng)主要功能包括航線規(guī)劃、實時數(shù)據(jù)傳輸和飛行數(shù)據(jù)后處理，其中航線規(guī)劃是基于mdCockpit模塊進(jìn)行的，可利用其設(shè)置及執(zhí)行基于航點導(dǎo)航的自動飛行并支持現(xiàn)場改變已經(jīng)規(guī)劃好的航線；實時數(shù)據(jù)接傳輸主要是下傳鏈路解碼器中接收的飛行器在飛行中的實時遙測數(shù)據(jù)流，可讓操控手時刻掌握飛行器當(dāng)前的位置、狀態(tài)和可能出現(xiàn)的意外，還可被追蹤及記錄，以便在飛行器發(fā)生意外時盡早將其找回；飛行數(shù)據(jù)后處理是指飛行器中內(nèi)置的SD卡上面的飛行記錄數(shù)據(jù)，可追蹤所有輸入到飛控板及導(dǎo)航版中的傳感器信息，以及航攝過程中的相片及視頻數(shù)據(jù)，完成飛行后，還可通過mdCockpit讀取及分析數(shù)據(jù)。四旋翼飛行器及地面操控系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 航線規(guī)劃及低空攝影

本系統(tǒng)采用mdCockpit應(yīng)用程序，基于谷歌地圖對試驗區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分析，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)地形及航飛范圍進(jìn)行航線規(guī)劃。根據(jù)測區(qū)情況，本次試驗規(guī)劃航線數(shù)6條，每條航線15張影像，設(shè)計航線重疊度為75%，旁向重疊度為35%，如圖3所示。

2013年1月10日，利用天鷹-1000型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，對重慶市綦江區(qū)永新鎮(zhèn)進(jìn)行了航空攝影，航飛參數(shù)如表2所示。

表2 航飛參數(shù)

3 飛行質(zhì)量評價

3.1 相片重疊度

按照低空數(shù)字航空攝影要求，影像航向重疊率為60%～80%，不得小于53%；旁向重疊率為15%～60%，不得小于8%。本次飛行試驗考慮到測區(qū)高差、天氣以及飛機(jī)性能等因素，設(shè)計航向重疊率為75%，旁向重疊率為35%。根據(jù)相機(jī)曝光時刻的記錄信息，利用軟件按重疊度排列，進(jìn)行了檢查，整個航攝區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)漏洞現(xiàn)象，且滿足航片重疊率的要求。

3.2 相片旋角

低空無人機(jī)航攝相片旋角與傳統(tǒng)航空攝影旋偏角略有不同，是指相鄰2張影像同名像點重合后，其相鄰相片邊線的夾角。按照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求，相片旋角一般不大于15°，個別不大于30°，在同一航線上旋角超過20°的相片不超過3片，超過15°的相片數(shù)不超過總數(shù)的10%。本次航攝影像檢查后每條航線內(nèi)最大旋偏角如表3所示。

表3 各航帶最大旋偏角/°

3.3 航線彎曲度

航線彎曲度是指航線兩端相片主點之間的直線距離與偏離該直線的最遠(yuǎn)像主點到該直線的垂直距離之比，一般采用%表示。一般規(guī)定，航帶彎曲度不得超過3% 。其計算公式為：

式中，E為航線彎曲度；?L為像主點偏離航線首末像主點連線的最大距離；L為航線首末像主點連線的長度。通過對航飛數(shù)據(jù)的檢查，各航帶彎曲度見表4。

表4 各航帶最大彎曲度

3.4 航高保持

航高變化直接影響影像重疊度及攝影比例尺。按照規(guī)范要求，同一航線，相鄰相片航高差不應(yīng)大于30 m，最大航高與最小航高差不應(yīng)大于50 m。利用飛機(jī)自帶航跡文件，對測區(qū)內(nèi)各航帶最大航高差進(jìn)行了檢查，其中最后3條航帶高差超限約10 m。結(jié)合當(dāng)時飛行情況可知，風(fēng)力是造成飛行不穩(wěn)定的主要原因，后續(xù)飛行中需注意天氣情況。各航帶航高差見表5。

表5 航帶最大航高差/m

4 影像正射糾正處理

天鷹-1000型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)自帶GPS及慣導(dǎo)裝置，可直接獲取相片的外方位元素，且已有試驗表明，利用POS系統(tǒng)獲取的影像定向參數(shù)可直接用于數(shù)字正射影像圖的制作，本文通過以下實驗，驗證2種方式的DOM成果質(zhì)量。實驗1：采用無人機(jī)飛控系統(tǒng)自帶的GPS、方向及高度傳感器裝置獲取的POS信息直接定向進(jìn)行正射影像糾正；實驗2：利用區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有歷史資料選取像控點進(jìn)行空三加密，進(jìn)行正射影像糾正。最后對2種結(jié)果進(jìn)行對比分析。

4.1 空三加密

1）利用POS數(shù)據(jù)直接定向。低空無人飛機(jī)飛行的不穩(wěn)定性使其獲取的外方位元素存在粗差及突變，在利用POS輔助平差前可對其進(jìn)行一定優(yōu)化。首先利用飛機(jī)獲取的外方位元素中的線元素（GPS）進(jìn)行同名像點匹配，并進(jìn)行平差得到新的外方位元素。這一過程可有效地對原始POS信息進(jìn)行優(yōu)化，并剔除部分粗差。在相片外方位元素已知的情況下，當(dāng)量測了一對同名像點后，即可利用前方交會計算出對應(yīng)地面點的地面攝影測量坐標(biāo)，實驗1即采用INPHO數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)直接運(yùn)用已知的外方位元素進(jìn)行定向并輸出加密點結(jié)果。

2）利用歷史資料選取像控點進(jìn)行空中三角測量。試驗區(qū)內(nèi)最高精度的歷史資料為1∶1萬DLG和1∶1萬DEM，利用其選擇了13個平高點。受歷史資料現(xiàn)勢性所限，其分布無法完全按照規(guī)范要求布設(shè)，如圖4所示。利用INPHO數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)在實驗1的基礎(chǔ)上添加控制點對其進(jìn)行平差。

由于2種方式都無高精度外業(yè)像控點，因此無法有效評價其精度，后續(xù)將通過DOM成果檢核其精度。完成加密后，基于2種結(jié)果分別進(jìn)行DEM生產(chǎn)及DOM糾正，以其中1種為例。

4.2 DEM生成及編輯

DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點的平面坐標(biāo)（X，Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)集，主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布。本試驗直接利用空三加密成果進(jìn)行立體建模并生成DSM，需對其進(jìn)行編輯形成DEM，如圖5所示。

4.3 正射糾正

利用編輯好的DEM對單個模型進(jìn)行數(shù)字微分糾正，生產(chǎn)正射影像，如圖6所示。

4.4 影像勻色及鑲嵌

1）勻色。在鑲嵌前需對測區(qū)影像進(jìn)行全局均衡勻色處理，消除影像間色差，實現(xiàn)多幅影像間的色彩平衡。利用INPHO軟件可提供自動勻色處理，如圖7所示。

2）鑲嵌。對糾正后的單幅正射影像利用INPHO自帶的智能鑲嵌模式自動避開房屋建筑等明顯地物。該模式可解決大部分鑲嵌線穿越重要地物的問題，但仍有小部分需要人工干預(yù)編輯，如圖8所示。

4.5 正射影像質(zhì)量檢查

4.5.1 輻射質(zhì)量

影像的輻射質(zhì)量主要從影像的亮度和色彩2方面進(jìn)行檢查，一般采用目視檢查法，主要包括整幅圖色調(diào)是否均勻，反差及亮度是否適中，影像拼接處色調(diào)是否一致，是否存在斑點、拉花痕跡等。本次試驗結(jié)果如圖9所示，其影像色彩均衡，飽和度適中、自然，無明顯接邊痕跡。

4.5.2 精度檢查

利用相同位置的5個檢查點對2種方式生產(chǎn)的DOM的平面位置精度進(jìn)行了檢查，見表6。

表6 DOM檢查點精度對比表

通過表6可知，實驗1的DOM成果精度高于實驗2。同時目視檢查2種成果與歷史DLG套合效果可知，通過歷史資料選點進(jìn)行加密精度明顯優(yōu)于POS直接定向精度，如圖10所示。

5 結(jié) 語

1）通過對試驗區(qū)影像飛行質(zhì)量的分析可知，利用天鷹-1000型四旋翼無人機(jī)獲取的影像除飛行航高略超限外，其他均滿足低空作業(yè)規(guī)范及正射影像生產(chǎn)的要求。

2）利用四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)自動獲取的POS信息可直接用于定向生產(chǎn)，其結(jié)果精度取決于POS精度。本次試驗的DOM偏差最大為17.2 m，后續(xù)生產(chǎn)可綜合考慮天氣情況，穩(wěn)定飛行質(zhì)量，提升POS精度。

3）通過基于歷史資料選取像控點進(jìn)行DOM生產(chǎn)，可大幅提升結(jié)論2）的成果精度，因此建議當(dāng)測區(qū)內(nèi)有高精度歷史資料時，可充分加以利用，從而提高DOM成果精度。

4）由于四旋翼無人機(jī)機(jī)動性能高，只需約10 m2的開闊空間即可起飛，無需輾轉(zhuǎn)選擇起飛場地，本次試驗從航線計劃到90張影像獲取共計用時4 h。由于筆者第一次接觸四旋翼無人機(jī)，在前期數(shù)據(jù)分析和反復(fù)測試中花了較長時間，但熟悉后該試驗區(qū)用3 h即可形成DOM結(jié)果。

通過筆者對國內(nèi)各測繪單位及四旋翼無人機(jī)飛行器的調(diào)研了解，四旋翼無人機(jī)作為一種新型無人機(jī)操控系統(tǒng)，目前在測繪、應(yīng)急等方面的應(yīng)用還很有限。而對其研究和分析后發(fā)現(xiàn)，四旋翼較固定翼相比，其機(jī)動性更高、更靈活、更安全，更適應(yīng)于小區(qū)域的城市密集區(qū)及起飛條件不佳的環(huán)境，尤其是應(yīng)急救援方面。在后續(xù)的工作中，我們應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢，將其與固定翼相結(jié)合形成多層級互補(bǔ)。

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