無人機(jī)在獲取高精度DEM數(shù)據(jù)中高度設(shè)計(jì)的研究

張國明，田行宜，王盈瑩，廖雪言，白洪陽，辛 星

(1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 2. 蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

隨著計(jì)算機(jī)以及遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人追求高精度的DEM數(shù)據(jù)以獲得豐富而精確的信息，從而便于地質(zhì)災(zāi)害的研究與監(jiān)控。如雷達(dá)技術(shù)，衛(wèi)星影像，三維激光掃描儀，固定翼無人機(jī)航測等技術(shù)的應(yīng)用[1-3]，這些技術(shù)被廣泛的用在大規(guī)模的野外地質(zhì)調(diào)查中，雖然能獲得了較高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，但是這些技術(shù)的共同特點(diǎn)就是花費(fèi)較大，時(shí)間周期較長。而且對于小規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，在其局部微小地質(zhì)特征的識別方面，計(jì)算機(jī)的自動(dòng)識別算法尚不能滿要求，這時(shí)就需要人的視覺判，上述方法所獲得的DEM數(shù)據(jù)基本不能滿足要求。多旋翼無人機(jī)在小區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查中，有迅速、高效、高精度、低成本的優(yōu)點(diǎn)。中國是個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家[4]。特別是近幾年來隨著城市化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)增強(qiáng)，水電工程興建引起了一系列的地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、泥石流、沖溝侵蝕等，對人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。一種快速的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)控方法或者是手段是必要的，無人機(jī)航測技術(shù)在這方面表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能和極大的優(yōu)勢，針對區(qū)域小規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害可以快速的獲取地面數(shù)據(jù)，以做研究和應(yīng)對措施。如無人機(jī)在滑坡、山崩、沖溝侵蝕等方面的應(yīng)用表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。那么如何通過合的飛行高度設(shè)計(jì)以及正確的操作使無人機(jī)能夠快速、高效地獲取高精度DEM數(shù)據(jù)是亟待解決的。

影響無人機(jī)數(shù)據(jù)據(jù)精度的因素是多方面的[5]。如飛行高度、照片重疊度、鏡頭參數(shù)、光照因素、后期航片處理、以及操作者的熟練度。本文主要有兩個(gè)研究目標(biāo)：第1個(gè)是如何根據(jù)目標(biāo)DEM數(shù)據(jù)分辨率進(jìn)行合理的飛行高度設(shè)計(jì)。第2個(gè)是完成DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用可靠性的評價(jià)。

1 研究區(qū)域

為了探究無人機(jī)測量精度以及飛行高度對數(shù)據(jù)精度的影響，經(jīng)過調(diào)研我們選擇校園廣場的一個(gè)小區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。該區(qū)域臺階的數(shù)量較多，且單個(gè)臺階高在40 cm左右，尺度較小，剖面突變頻繁且較規(guī)律，外形變化較大。利用DEM數(shù)據(jù)獲取較為精確的臺階剖面圖對其精度有著較高的要求。

2 試驗(yàn)材料方法

2.1 航測系統(tǒng)的介紹

一個(gè)無人機(jī)測量系統(tǒng)一般包括飛控、機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控器、相機(jī)、地面站，除此之外無人機(jī)飛行器可以搭載多種傳感器來采集數(shù)據(jù)。

該研究區(qū)域的航空勘測使用了大疆精靈3 s，一種消費(fèi)級的四旋翼無人機(jī)。相機(jī)具體參數(shù)詳見表1。

表1 相機(jī)具體參數(shù) mm

2.2 高度設(shè)計(jì)試驗(yàn)

在遙感中，地面分辨率(GSD)反應(yīng)了影像能有差別地區(qū)分開兩個(gè)相鄰地物的最小距離的能力。飛行高度等參數(shù)和GSD之間存在著一定的關(guān)系。為了獲得滿足研究所需要的高分辨率DEM數(shù)據(jù)，在飛行前了解GSD的計(jì)算有助于我們在飛行前合理設(shè)計(jì)飛行高度。

(1)

(2)

(3)

式中，GSD為地面分辨率，m；μ為像素尺寸，mm；W是傳感器的寬度，mm；Sw是每張航片寬度上的像素?cái)?shù)；H是飛行高度，m；F是焦距，mm。

GSD=k×H

(4)

代入具體參數(shù)，我們可以得到無人機(jī)大疆精靈3 s下的k值：k=3.281 163×10-4。

該理論式是基于單張航片得出的，而DEM數(shù)據(jù)是由多張有著一定重合度的航片基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)識別算法組合而的。那么此時(shí)理論公式是否適合DEM分辨率的計(jì)算，也就是能否在飛行高度的設(shè)計(jì)上提供一定的參考價(jià)值，這時(shí)需要必要的試驗(yàn)?；谠搯栴}我們在其他參數(shù)設(shè)計(jì)合理的情況下，飛行高度為25.1 m的條件下對實(shí)驗(yàn)區(qū)域展開了航測。為了節(jié)省時(shí)間成本航片格式采用GPEG的格式，先人的研究已經(jīng)證明JPEG壓縮對DEM的精度幾乎沒有影響。

飛行結(jié)束獲得航片后，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理，我們獲得了試驗(yàn)區(qū)域的正射影像和DEM展示圖(圖1)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域的正射影像和DEM

由式(4)以及k值可以得到：

GSD=k×H=3.281 163×10-4×25.1=0.008 23 m=8.23 mm

而實(shí)際GSD值為9.78 mm，有一定的差距。分析可知高度不是很合適，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的飛行高度是相對于起飛點(diǎn)的高度，在飛行過程由于地表的起伏變化，高度是會(huì)不斷變化的。

在以上算式中我們直接取無人機(jī)初始設(shè)置飛行高度進(jìn)行計(jì)算，理論計(jì)算的GSD值與實(shí)測的有一定的誤差。考慮到DEM以及正射影像是由航片經(jīng)過計(jì)算機(jī)自動(dòng)算法合成的，我們嘗試取無人機(jī)相對地面的平均高度H3進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

H1=25.1 m，實(shí)測H2=5.723 m，那么可得H3=27.961 5 m，由式(4)可得GSD=9.174 624 mm。此時(shí)的分辨率理論計(jì)算值與實(shí)際值相差為：9.78-9.174 624=0.605 376 mm，約為0.6 mm。說明式(4)計(jì)算方法有一定的指導(dǎo)價(jià)值，但是需要注意H是無人機(jī)相對于地面的平均高度。

2.3 實(shí)測精度試驗(yàn)

此次獲得的試驗(yàn)區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)精度為9.78 mm，那么基于消費(fèi)級無人機(jī)大疆精靈3 s所獲得DEM數(shù)據(jù)是否可以運(yùn)用在實(shí)際的工作中，為了確定數(shù)據(jù)的可靠性，我們在航測前標(biāo)定的剖面線位置處做了剖面分析，得到該位置處的剖面圖，同時(shí)我們也利用傳統(tǒng)的方法(全站儀)測量得到了該位置處的剖面圖(圖2)。

從倆次剖面對比圖中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測和基于無人機(jī)數(shù)據(jù)所得的剖面圖在形態(tài)上是相近的，數(shù)值上相差甚微，說明了無人獲取高精度地形數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié) 論

1)飛行高度不但直接影響著數(shù)據(jù)的分辨率，同時(shí)也影響著飛行時(shí)間。飛行高度越高飛行所需要時(shí)間越短，但是數(shù)據(jù)分辨率也越低。但當(dāng)飛行高度取得很低會(huì)大幅度的增加時(shí)間成本，所以合理的規(guī)劃飛行高度是非常有必要的。本文給出的計(jì)算方法，具有重要的參考價(jià)值，可以根據(jù)目標(biāo)DEM數(shù)據(jù)的分辨率較為準(zhǔn)確的獲得飛行高度。但是注意在選取H的時(shí)候要取其平均高度。如此不但能獲得所需精度的數(shù)據(jù)同時(shí)也能保證工作效率。

(a)傳統(tǒng)方法(全站儀)所得的剖面；(b)無人機(jī)數(shù)據(jù)所獲得剖面

2)本文同時(shí)也對其它飛行參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了參考。天氣狀況是影響數(shù)據(jù)精度的一大要素。主要通過影響航片的質(zhì)量以及GPS的定位來影響DEM數(shù)據(jù)的精度。在進(jìn)行工作的時(shí)候，盡量選取目標(biāo)區(qū)域能較為均勻的受到光照的條件，避免光照的直射。在風(fēng)速的選擇上風(fēng)速越小越好，這樣小型的無人機(jī)在工作的時(shí)候較為穩(wěn)定，同時(shí)較為安全。盡量避免霧霾以及陰天等惡略氣候條件，這樣的條件不但影響著GPS定位的精度也會(huì)增加危險(xiǎn)系數(shù)。在主航線上圖像重復(fù)率超過80%，主航線間的圖像重復(fù)率超過60%，數(shù)據(jù)的精度可以得到有效的保證，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的面積的可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3)消費(fèi)級無人機(jī)在小規(guī)模區(qū)域DEM數(shù)據(jù)獲取的應(yīng)用具有一定可靠性。