無人機航攝系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應用

譚小明

（外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院） 重慶 400042 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心 重慶 400042）

無人機航攝系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應用

譚小明

（外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院） 重慶 400042 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心 重慶 400042）

隨著科學技術的不斷發(fā)展，在測繪地理信息行業(yè)中運用了比較先進的數(shù)字航空攝影測量技術，我國在該領域也取得了一系列重大的進展，研制出許多航空攝影測量設備。尤其是在無人機航空攝影測量系統(tǒng)方面，因其具有運行成本低、執(zhí)行任務靈活性高等優(yōu)點，正逐漸成為航空攝影測量系統(tǒng)的有益補充，是空間數(shù)據(jù)獲得的重要工具之一。無人機結構簡單、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機執(zhí)行的任務，更適用于有人飛機不宜執(zhí)行的任務。無人機航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面積、高現(xiàn)勢性的優(yōu)點。無人駕駛飛機為航拍攝影提供了操作方便，易于轉(zhuǎn)場的遙感平臺。本文主要闡述了無人機航攝系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應用。

無人機；航攝；系統(tǒng)；大比例；成圖

引言

無人機航攝系統(tǒng)的推廣應用是國家測繪地理信息局提升我國測繪技術裝備水平的重要內(nèi)容之一。作為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，無人機航攝系統(tǒng)的應用不僅能夠大幅提升測繪應急保障服務能力，而且在構建數(shù)字中國、監(jiān)測地理國情、提升社會管理效能等方面也發(fā)揮了積極作用。

1 無人機航測系統(tǒng)的優(yōu)勢

1.1 機動快速的響應能力

低空飛行，空域申請便利，降低了對天氣條件的要求。飛行系統(tǒng)升空準備時間短、操作簡單、運輸便利。低空無人機系統(tǒng)可快速到達監(jiān)測區(qū)，迅速進行飛行、成像，搭載的高精度裝備能在短時間內(nèi)獲得監(jiān)測結果。

1.2 高分辨率圖像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力

系統(tǒng)獲取影像的空間分辨率達到了分米級。系統(tǒng)獲取的高分辨率數(shù)碼影像可用于高分辨率社會經(jīng)濟調(diào)查和三維立體景觀圖的制作。系統(tǒng)還可搭載單波段、多波段、多光譜儀等傳感器，并可進行多角度攝影。

1.3 多種任務設備的應用拓展能力

系統(tǒng)為多種小型遙感傳感器提供了良好的搭載平臺，如探地雷達、熱成像儀、氣象傳感器、合成孔徑雷達等，易于拓展監(jiān)測功能，以滿足多種快速監(jiān)測所需。

1.4 使用無人機成本低廉

無人機由于不安裝飛行人員駕駛設備、語音通信和安全設備而使設計生產(chǎn)費用低廉；無人機由于降低安全要求，從而使生產(chǎn)材料低廉；無人機的使用保障比有人駕駛飛機的簡單、集中和低要求使成本較低。

1.5 無人機能夠承擔高風險或高科技的飛行任務

駕駛人員和科研人員能夠在地面安全工作，飛機不會因為人為錯誤而發(fā)生事故或飛行測量失?。挥绕鋵τ谲嚧瑹o法到達地帶的環(huán)境監(jiān)測、有毒地區(qū)的污染監(jiān)測、災情檢測及救援指揮，無人機遙感系統(tǒng)更顯示出其獨特的優(yōu)勢。

2 無人機航測原理及系統(tǒng)

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機航測遙感系統(tǒng)是高分辨率及高精度遙感影像獲取和處理的嶄新技術。如圖1為無人機航測系統(tǒng)結構圖。它以無人駕駛飛行器為飛行平臺，負載數(shù)碼相機、數(shù)碼攝錄機等數(shù)字遙感設備進行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術進行影像的同步傳輸，以實現(xiàn)對地理信息的實時調(diào)查與監(jiān)測。無人機航空攝影測量系統(tǒng)由無人機分系統(tǒng)、地面站分系統(tǒng)、后處理分系統(tǒng)構成。無人機分系統(tǒng)包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等，搭載航測相機，是航測數(shù)據(jù)的采集平臺；地面站分系統(tǒng)是整個無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮中心，實現(xiàn)對飛行器的控制、任務控制、載荷操作、載荷數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)維護等；后處理分系統(tǒng)是數(shù)據(jù)處理中心，將影像快速制作成專業(yè)、精確的二維地圖和三維模型。無人機遙感系統(tǒng)以獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應用目標，通過3S技術在系統(tǒng)中的集成應用，達到實時對地觀測能力和遙感數(shù)據(jù)快速處理能力。要使其成為理想的遙感平臺，選用的遙感傳感器應具備數(shù)字化、體積小、重量輕、精度高、存儲量大和性能優(yōu)異等特點。

遙感傳感器的控制系統(tǒng)要能夠根據(jù)預先設定的航攝點、攝影比例尺、重疊度等參數(shù)以及飛行控制系統(tǒng)實時提供的飛行高度、飛行速度等數(shù)據(jù)自動計算并自動控制遙感傳感器的工作，使獲取的遙感數(shù)據(jù)在精度、比例尺、重疊度等方面滿足遙感的技術要求。對于抗風能力弱、飛行穩(wěn)定性差的無人機，應給遙感設備加裝三軸穩(wěn)定平臺，以保證獲取穩(wěn)定的、清晰的高質(zhì)量影像，遙感傳感器的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)最好能夠?qū)崟r記錄并存儲，以便用于遙感數(shù)據(jù)的處理，提高工作效率。

圖1 無人機航測系統(tǒng)結構圖

3 運用實例分析

某城市項目1：2000地形圖測繪。

3.1 航空攝影測量

以YS-1野瘦1型城市安全版為航飛平臺，利用Sony A7R相機與sony 5100進行低空攝影測量獲取高分辨率影像，利用空中和地面控制系統(tǒng)實現(xiàn)影像的自動拍攝和獲取。為了提高空三精度及效率，采用攝影前布設地面控制點的方式。

3.1.1 像控點布設

（1）主動布控

在實施飛行前，選擇通視條件好，地勢平坦的區(qū)域人工布設控制點。這樣的控制點兼?zhèn)淞顺上駰l件好、通視條件好、平面和高程精度高等優(yōu)點。

（2）布控位置

航空攝影影像的航向重疊率75%，旁向重疊率65%，重疊率都比較高，因此控制點位置選擇可不考慮實際像主點的位置，只需要考慮測區(qū)形狀，按照一定的網(wǎng)格間距實施布控。

（3）像控點標準

本項目要求按照1：500比例尺標準低空攝影測量，像控點標準為寬0.2m，長1.5m用白灰或者白油漆制作中間鏤空的十字型標志。

（4）像控點測量

利用三、四等GPS控制點，采用動態(tài)GNSS-RTK實時定位技術施測，在三、四等GPS控制點上采集地心坐標，采集點數(shù)要在四個以上平高控制點上進行，所采點應均勻分布于測區(qū)及周邊。根據(jù)采集的已知點求解測區(qū)參數(shù)，然后利用其參數(shù)完成測區(qū)內(nèi)的像控點的外業(yè)測量。

3.1.2 攝影測量

（1）航線設計

根據(jù)現(xiàn)場情況，測繪面積，地形條件布設航線。為提高精度可以東西向飛行一架次，南北向飛行一架次，一起平差處理數(shù)據(jù)。

（2）飛行過程控制

大比例高精度航攝時，為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量野外飛行時應依照下列步驟檢查設備和執(zhí)行飛行任務：①確認相機已經(jīng)檢校，相機鏡頭沒有在使用過程中受到?jīng)_擊；②在天氣情況允許和空域批準情況下進行航飛，最低條件是地面能見度大于500m，地面風速小于5.5m/s（小于4級）；③正確置平相機穩(wěn)定平臺；④檢查影像數(shù)據(jù)存儲卡；⑤檢查各設備電源；⑥手工檢查相機設置參數(shù)；⑦檢查相機同步曝光情況；⑧執(zhí)行飛行任務。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 空三

內(nèi)業(yè)加密使用Pix4d mapper軟件，進行全數(shù)字空三加密，對野外測定的高程點、平面點進行核查和加密，為數(shù)據(jù)采集提供質(zhì)量可靠的定向點。

（1）空三加密使用資料

航攝儀鑒定表、數(shù)碼影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、像片結合圖，外業(yè)技術設計書、外業(yè)控制點成果、刺點片等。

（2）影像匹配及空三解算

在Pix4d mapper軟件中導入像機參數(shù)和控制點，利用POS或GPS等數(shù)據(jù)自動建立航帶內(nèi)和航帶間的拓撲關系網(wǎng)進行全自動定向處理?？杖Y果各項指標應滿足表1規(guī)定。

表1 空三結果各項指標

采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，自動剔除粗差并進行系統(tǒng)誤差的改正，對公共定向點和檢查點進行中誤差統(tǒng)計，平差解算像控點，來解求每個模型定向點成果。

3.2.2 DOM

（1）精度要求

影像明顯地物點對最近野外控制點的圖上點位中誤差不得大于下表規(guī)定。特殊和困難地區(qū)中誤差可放寬0.5倍。

（2）使用軟件

DOM影像數(shù)據(jù)的制作，采用pix4d mapper軟件。

（3）技術流程

數(shù)字正射影像圖（DOM）利用空三加密成果，經(jīng)數(shù)字糾正、影像鑲嵌，并按一定圖幅范圍裁剪、整飾生成的影像數(shù)據(jù)，見如流程圖2。

圖2 技術流程圖

（4）模型生成

利用空三加密成果或全野外像控資料，生成立體像對模型。

（5）數(shù)字糾正

依據(jù)DOM指標，設置有關參數(shù)，在立體模型上進行數(shù)字糾正，像元重采樣方法采用雙線性內(nèi)插或三次卷積算法，生成單張正射影像，為了使DOM影像保證精度和地物影像變形小，影像要盡量取像片中心區(qū)域，一般不抽片，減少使用投影差較大的邊緣部分。

（6）影像色調(diào)調(diào)整

數(shù)字航空影像由于相機性能和外界因素影響，其色彩與自然色彩相比，一般有較明顯的偏色和亮度不均勻的情況。對于偏色，可用ERDAS、PCI、ArcGIS遙感軟件或Photoshop等圖像處理軟件進行處理，如對其三原色進行主成分變換，通過對三原色變換計算，達到接近自然色的目的。對不同的像片或單張片內(nèi)的嚴重亮度不均勻，可使用影像處理工具進行調(diào)整，使其達到整體一致的效果。因此對于需要進行補調(diào)色的航片，必須根據(jù)情況分別進行處理：對于相鄰航片的正射影像必須進行均光勻色處理，保證鑲嵌線兩側影像無明顯差別，使同幅內(nèi)影像密度、反差、色調(diào)的一致，并確保相鄰圖幅過渡自然，整個測區(qū)正射影像色彩的協(xié)調(diào)。對于色調(diào)、亮度、色差等不一致的影像，利用人工方法調(diào)色進行處理。

（7）影像鑲嵌

采用無縫鑲嵌技術進行影像的鑲嵌。在鑲嵌過程中應使影像色調(diào)過渡自然，鑲嵌后的影像不能留下明顯的模糊、重影、錯位等鑲嵌痕跡。為提高鑲嵌效率保證影像質(zhì)量可采取如下方法：先將相鄰影像采用自動鑲嵌線的方式進行拼接，然后在Photoshop軟件中以拼接好的影像為基準，將待鑲嵌影像調(diào)整與之完全重疊，在此基礎上勾繪鑲嵌線，對接邊區(qū)域進行色彩過渡調(diào)整，最后進行合層。

（8）DOM裁切

按照1：500比例尺的要求，進行相應的標準分幅，沿內(nèi)圖廓范圍線矩形裁切標準分幅影像，圖幅內(nèi)無影像數(shù)據(jù)區(qū)域以白色填充。

（9）圖幅編輯

以圖幅為單位，對影像數(shù)據(jù)進行編輯，主要是對地理要素的編輯，如單位名稱的注記、道路名稱的注記、村莊名稱的注記等等。

（10）成果輸出

圖廓整飾內(nèi)容按《規(guī)范》要求制作；元數(shù)據(jù)格式為XLS。輸出標準影像分幅數(shù)據(jù)。

4 結語

隨著我國改革開放的逐步深入，經(jīng)濟建設迅猛發(fā)展，各地區(qū)的地貌發(fā)生巨大變遷?，F(xiàn)有的航空遙感技術手段已無法適應經(jīng)濟發(fā)展的需要。新的遙感技術為日益發(fā)展的經(jīng)濟建設和文化事業(yè)服務。以無人駕駛飛機為空中遙感平臺的技術，正是適應這一需要而發(fā)展起來的一項新型應用性技術，能夠較好地滿足現(xiàn)階段我國對航空遙感業(yè)務的需求，對陳舊的地理資料進行更新。

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[2]范承嘯，韓俊，熊志軍，趙毅.無人機遙感技術現(xiàn)狀與應用[J].測繪科學，2009（05）：29～30.

[3]凡亦文，劉全海，高文濤，鄧國榮.無人機航空攝影測量在大比例尺測圖中的應用[A].第十七屆中國遙感大會摘要集[C].2010（06）：55～57.

P231.5

A

1004-7344（2016）10-0180-02

2016-3-20