無(wú)人機(jī)海島礁航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

張 凱，張好運(yùn)，盧旭升，游 畫，薛 彬，翟京生

(1. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072； 2. 中航通科技發(fā)展(天津)有限公司，天津 300350)

海島礁地形的精確測(cè)量對(duì)船舶安全航行、海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖、國(guó)家海洋主權(quán)維護(hù)等具有重要意義，在海洋測(cè)繪中占有重要地位。然而常規(guī)的海島礁測(cè)繪采用全野外測(cè)圖作業(yè)方式，存在登島難度大、測(cè)繪成本高、測(cè)繪效率低等問題[1-2]。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量具有自動(dòng)化程度高、成本低廉、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)海島礁精細(xì)化測(cè)量的重要潛力技術(shù)。近年來(lái)隨著多旋翼無(wú)人機(jī)控制技術(shù)的不斷成熟，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)得到迅猛發(fā)展[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)開展了無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在城市建模、礦區(qū)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害測(cè)繪等方面的研究工作[5-8]。在無(wú)人機(jī)海島礁航空攝影測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)部分研究所和部隊(duì)等單位已經(jīng)開展了相關(guān)理論研究和技術(shù)分析[9-10]，但利用無(wú)人機(jī)實(shí)地開展海島礁航空攝影測(cè)量的研究卻鮮有報(bào)道。

本文通過把無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于海島礁測(cè)量，制作海島礁三維模型圖、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)和正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)等測(cè)繪產(chǎn)品。并簡(jiǎn)要介紹無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的作業(yè)流程和關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)論述無(wú)人機(jī)海島礁航空攝影測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)處理過程和結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)

無(wú)人機(jī)是開展海島礁航空攝影測(cè)量的核心設(shè)備，通過搭載云臺(tái)和攝像頭，在高空可以獲取不同位置點(diǎn)的高清地面影像圖。為了實(shí)現(xiàn)地面影像圖片的自動(dòng)獲取，減少人為誤差和干擾，降低拍攝難度，關(guān)鍵在于開發(fā)無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，包括無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行技術(shù)和自動(dòng)拍攝技術(shù)。通過地面站規(guī)劃飛行任務(wù)，利用遙控器上傳給無(wú)人機(jī)，使其可以按照航跡規(guī)劃自動(dòng)進(jìn)行定點(diǎn)飛行，并能夠在一定照片重疊度的要求下自動(dòng)控制拍照速度，拍照間隔，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在航空攝影測(cè)量中影像獲取的自動(dòng)化。

1.2 三維重建技術(shù)

航空攝影測(cè)量中的數(shù)據(jù)處理所采用的是基于圖像的三維重建技術(shù)。這一技術(shù)從計(jì)算機(jī)視覺研究發(fā)展而來(lái)，基于立體攝影測(cè)量原理，能夠從多張具有一定重疊度的照片中提取相同特征點(diǎn)并進(jìn)行追蹤，從而獲取相機(jī)的方位、姿態(tài)和待測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，合成待測(cè)目標(biāo)的三維模型，最后只需根據(jù)實(shí)際布設(shè)的少量控制點(diǎn)，通過相似變換便可將三維模型從圖像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地空間坐標(biāo)系[11-12]。在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量過程中，所獲取的每張照片均已記錄了相機(jī)的拍攝位置和云臺(tái)的姿態(tài)信息，在進(jìn)行三維重建過程中可以利用這些信息進(jìn)一步優(yōu)化其合成精度，加快解析速度、提高三維模型質(zhì)量。

2 無(wú)人機(jī)海島礁航空攝影測(cè)量實(shí)地應(yīng)用

現(xiàn)以山東省威海市某海島礁航空攝影測(cè)量為例敘述如下。

2.1 測(cè)繪方案概述

本次進(jìn)行無(wú)人機(jī)作業(yè)的海島礁測(cè)量區(qū)域長(zhǎng)約1000 m，寬約550 m，海拔最高點(diǎn)大約為68 m。根據(jù)無(wú)人機(jī)的相機(jī)視角和測(cè)量分辨率要求，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行高度約為200 m，飛行區(qū)域?yàn)榫匦?，相鄰照片重合度大?0%，預(yù)計(jì)完成整個(gè)航拍任務(wù)需飛行5架次。整個(gè)航空攝影測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量作業(yè)流程

2.2 測(cè)繪材料準(zhǔn)備

此次進(jìn)行航空攝影測(cè)量作業(yè)的無(wú)人機(jī)有大疆公司生產(chǎn)的Phantom 4Pro小型四旋翼無(wú)人機(jī)，還有中航通生產(chǎn)的Owling六旋翼無(wú)人機(jī)。Phantom 4Pro無(wú)人機(jī)單次飛行時(shí)間大約為25 min，體積小巧便于攜帶，能抵抗5級(jí)大風(fēng)，搭載云臺(tái)攝像機(jī)像素為1600萬(wàn)。Owling無(wú)人機(jī)載重能力大，飛行穩(wěn)定性更好，搭載1600萬(wàn)像素的Zenmuse X5云臺(tái)，成像清晰度更高，飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 h，更適用于長(zhǎng)時(shí)間的海上測(cè)繪作業(yè)。

此外，還專門設(shè)計(jì)了用于后期三維模型修正的地面影像控制點(diǎn)靶標(biāo)板和用于進(jìn)行三維建模質(zhì)量評(píng)價(jià)的分辨率板，如圖2和圖3所示。

圖2 地面控制點(diǎn)靶標(biāo)圖案(部分)

圖3 航空攝影測(cè)量分辨率板

2.3 無(wú)人機(jī)海島礁航空攝影現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

實(shí)地航空攝影測(cè)量中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形考察情況，按照無(wú)人機(jī)飛行的軌跡不同，設(shè)計(jì)了兩種飛行測(cè)量方案：

(1) 折線形飛行方案。如圖4所示，無(wú)人機(jī)飛行高度為217 m，飛行軌跡為折線形，飛行過程中機(jī)頭朝向不變，航向重疊率為60%，旁向重疊率為50%，飛行最大速度為6 m/s，最短拍照間隔為2 s。一次飛行任務(wù)分為5個(gè)航次，分別對(duì)應(yīng)不同的相機(jī)角度。第一飛行航次，相機(jī)鏡頭豎直向下進(jìn)行拍攝，余下4個(gè)航次，相機(jī)鏡頭豎直方向?yàn)榕c水平線傾斜45°角朝下，水平方向分別朝前后左右(相對(duì)于飛機(jī)機(jī)身)4個(gè)方位對(duì)海島進(jìn)行拍攝。

(2) 環(huán)繞型飛行方案。如圖5所示，無(wú)人機(jī)飛行高度為152 m，以待測(cè)島嶼為中心，飛行軌跡為圓弧形，飛行過程中機(jī)頭朝向始終指向島嶼中心，旁向重疊率為60%，飛行最大速度為6 m/s，最短拍照間隔為2 s。無(wú)人機(jī)飛行過程中相機(jī)鏡頭朝向豎直方向與水平線呈45°，水平方向直接朝向島嶼中心，按照一定拍照間隔拍照，形成島嶼環(huán)繞圖像集。

圖4 折線形飛行方案示意圖

圖5 環(huán)繞型飛行方案示意圖

為了對(duì)后期制作的三維模型進(jìn)行修正，此次測(cè)量作業(yè)共計(jì)布設(shè)了5個(gè)地面影像控制點(diǎn)，如圖6所示，分別分散置于海島礁的不同位置和不同高度，并記錄地面控制點(diǎn)的GPS坐標(biāo)和相對(duì)高度。

圖6 地面影像控制點(diǎn)布設(shè)方位

2.4 三維模型構(gòu)建與結(jié)果分析

利用Pix4D軟件對(duì)無(wú)人機(jī)采集的照片進(jìn)行處理，重建島礁地區(qū)的三維立體模型[13]，數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。對(duì)生成的三維地形模型進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)致處理，去除雜散邊緣、孔洞、不連續(xù)點(diǎn)等，根據(jù)照片的經(jīng)緯度計(jì)算合成三維模型的大地空間坐標(biāo)，并利用地面影像控制點(diǎn)對(duì)生成模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正，生成的三維模型如圖8所示，結(jié)合地形地貌制作的海島礁數(shù)字正射影像圖如圖9所示，海島礁高程圖如圖10所示。

圖7 重建三維模型數(shù)據(jù)處理流程

圖8 海島礁三維模型

圖9 海島礁正射影像

圖10 海島礁高程

本次航空攝影測(cè)量共獲得902張區(qū)域影像圖，通過Pix4D軟件對(duì)照片進(jìn)行分析處理，在選取處理區(qū)域時(shí)剔除大部分區(qū)域特征較弱的海洋水體，主要對(duì)海島礁主體區(qū)域進(jìn)行了三維建模。根據(jù)實(shí)際布放的地面測(cè)量控制點(diǎn)(靶標(biāo)圖像)對(duì)建立的三維模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

分析處理得到的正射影像圖中布放的分辨率板圖案，計(jì)算出該三維模型的分辨率達(dá)到0.25 m的水平，可以滿足海島礁測(cè)量精度要求。同時(shí)分析海島礁高程圖可以發(fā)現(xiàn)，由于基于圖像的三維重建技術(shù)要求相鄰圖像有明顯的特征匹配點(diǎn)，而相鄰海水圖片的匹配特征點(diǎn)尋找難度大，造成海水部分的高程出現(xiàn)較大誤差，但是海島礁高于水面部分的高程分析是較為準(zhǔn)確的。

隨機(jī)選取海島礁三維模型上的6個(gè)點(diǎn)，如圖11所示，提取其經(jīng)緯度信息，并與已有地圖上相應(yīng)位置點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行比較，分析結(jié)果見表1。通過表1的誤差數(shù)據(jù)可以得出航空攝影測(cè)量得到的三維模型數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)具有較高的精度，考慮普通民用GPS誤差大約在10 m左右，所測(cè)量海島礁的部分點(diǎn)誤差還優(yōu)于10 m，因此利用無(wú)人機(jī)航空攝影進(jìn)行海島礁地形測(cè)量具有非常大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖11 隨機(jī)選取位置點(diǎn)分布圖

位置編號(hào)測(cè)量經(jīng)緯度/(°)地圖經(jīng)緯度/(°)誤差/m137.5729671N,122.0812042E37.5729395N,122.0813200E10.67132237.5733316N,122.0787028E37.5733030N,122.0788148E10.3846337.5725347N,122.0780677E37.5725526N,122.0780423E2.994734437.5707807N,122.0792061E37.5707903N,122.0791930E1.570338537.5697987N,122.0795940E37.5697975N,122.0795685E2.255033637.5683537N,122.0809992E37.5683284N,122.0809552E4.789576

3 結(jié) 語(yǔ)

從無(wú)人機(jī)海島礁航空攝影測(cè)量過程和測(cè)量結(jié)果可以看出，無(wú)人機(jī)用于海島礁測(cè)量不僅能夠大大降低海島礁測(cè)量的工作量，提高測(cè)量效率，合成的三維模型中島礁部分也具有較高的精度，能夠滿足實(shí)際測(cè)量需求，是實(shí)現(xiàn)海島礁精細(xì)化測(cè)量的重要技術(shù)手段。但同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到，該方法的數(shù)據(jù)處理過程仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，合成的三維模型中海洋水表面處理仍有較大誤差，圖像數(shù)據(jù)處理時(shí)間也較長(zhǎng)，在處理攝像頭畸變和空中三角測(cè)量算法方面還需開展深入研究，以便獲得更準(zhǔn)確、更高精度的海島礁區(qū)域三維地形圖。