基于POS 的無(wú)人機(jī)航片快速糾正在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

陳笑峰 周興霞 廖 露 陳思思

(四川省測(cè)繪地理信息局測(cè)繪技術(shù)服務(wù)中心，四川 成都610000)

1 概述

無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)具有靈活機(jī)動(dòng)、高效快捷等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)域及困難地區(qū)影像快速獲取等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[1]，已廣泛應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)[2]、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[3]、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)[4]等領(lǐng)域，可有效滿足應(yīng)急測(cè)繪天地一體、快速機(jī)動(dòng)的要求。而在火災(zāi)等特殊情況下對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效性要求非常高，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)時(shí)獲取的大量遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，而在前方的無(wú)人機(jī)小組受地形、應(yīng)急狀況等情況往往無(wú)法攜帶高性能的圖形工作站組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，即使進(jìn)行快拼影像處理也需要至少2 小時(shí)時(shí)間，迫切需要更快、更便捷的方式來(lái)直觀展現(xiàn)火線實(shí)時(shí)情況。

綜上所述，本文立足于無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在四川省應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用，研究基于POS 數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)航片快速糾正，并成功應(yīng)用于“2020 年涼山州森林火災(zāi)應(yīng)急測(cè)繪保障工作”應(yīng)急測(cè)繪保障，為前線指揮部、省森林草原防滅火指揮中心等各級(jí)政府和有關(guān)部門(mén)開(kāi)展決策部署、應(yīng)急救援、災(zāi)情評(píng)估和災(zāi)后重建等工作提供了快速、準(zhǔn)確、優(yōu)質(zhì)的災(zāi)情地理信息服務(wù)，并歸納總結(jié)了該技術(shù)在提升應(yīng)急測(cè)繪保障中的作用。

2 已知數(shù)據(jù)分析

2.1 POS 數(shù)據(jù)

POS/AV (Position and Orientation System for Airborne Vehicles) 系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為機(jī)載傳感器的地理定位設(shè)計(jì)，能通過(guò)高精度集成的GPS 和慣性測(cè)量裝置(Inertial Measurement Unit, IMU)[5], 提供該傳感器實(shí)時(shí)或后處理的位置、翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角度等信息,如圖1 所示為部分POS 數(shù)據(jù)。

圖1 POS 數(shù)據(jù)

2.2 影像數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)包含飛行獲取的所有原始航片，文件類(lèi)型為jpeg格式，本身不帶坐標(biāo)信息，如圖2 所示。

圖2 影像數(shù)據(jù)

其他數(shù)據(jù)包含數(shù)碼相機(jī)檢校報(bào)告、像素大小、畸變系數(shù)、焦距f 等數(shù)據(jù)。

3 基于Arcgis Engine 實(shí)現(xiàn)航片快速糾正

3.1 實(shí)現(xiàn)思路

圖3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)POS 數(shù)據(jù)里提供的每張航片中心點(diǎn)坐標(biāo)、航片行列值,對(duì)每張航片賦予坐標(biāo)值, 依據(jù)坐標(biāo)值可實(shí)現(xiàn)航片的快速糾正和相關(guān)指標(biāo)運(yùn)算。

3.1.1 航高獲取和計(jì)算成圖分辨率

通過(guò)已知飛行航片中心點(diǎn)坐標(biāo)L0 和B0 獲取對(duì)應(yīng)地面Srtm_DEM 的高程，計(jì)算出：

航高H = 飛行高度(H0)- 地面Srtm_DEM 的高程（H1）（1）

計(jì)算地面分辨率Gsd(m)公式如下：

3.1.2 航帶圖框改正

對(duì)影像進(jìn)行幾何校正，根據(jù)已知三個(gè)角度航向角(κ)、俯仰角(ψ)和側(cè)偏角(ω) 對(duì)航片范圍進(jìn)行改正，使用共線方程9 個(gè)系數(shù):a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3, 由以下公式計(jì)算旋轉(zhuǎn)系數(shù)，POS 數(shù)據(jù)記錄的拍攝點(diǎn)坐標(biāo)為經(jīng)緯度坐標(biāo)（L0，B0），進(jìn)行俯仰、側(cè)偏和航向角改正之前需要經(jīng)緯度坐標(biāo)換算成WGS84 坐標(biāo)系下進(jìn)行投影后的平面坐標(biāo)（X0，Y0），從而計(jì)算出影像四角點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)共線方程算出改正后的航拍范圍坐標(biāo)和分辨率對(duì)影像進(jìn)行糾正和重采樣，如圖4 為基于ArcEngine 開(kāi)發(fā)的糾正工具。其中配準(zhǔn):pRasterGeometryProc.Warp (inpSourceControlPoints,outPTargetControlPoints,PTransformTypeout, inpRaster) ;//inpSourceControlPoints 為原始坐標(biāo)點(diǎn)集, outPTargetControlPoints為目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)集,PTransformTypeout 為配準(zhǔn)方式, inpRaster 為柵格數(shù)據(jù)。

保存柵格數(shù)據(jù):pRasterGeometryProc.Rectify (outRasterName,outRasterFormat, outpRaster) ;// outRasterName 為柵格名稱(chēng),outRasterFormat 為柵格格式, outpRaster 為柵格數(shù)據(jù)。

3.1.3 投影并輸出kmz 文件

柵格數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換, 包括該柵格坐標(biāo)系的定義及投影坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，主要用到ArcEngine 的IGeoDatasetSchemaEdit 接口、IGeoProcessor 接口和ProjectRaster 類(lèi)[7]。柵格數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換應(yīng)先設(shè)置輸入坐標(biāo)系和輸出坐標(biāo)系。部分代碼如下:

pProjectRaster.in_coor_system = pInputCoorSystem;// 設(shè)置輸入數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系。

pProjectRaster.out_coor_system = pOutputCoorSystem;// 設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系。pProjectRaster.in_raster = pInputRaster;//設(shè)置輸入的柵格。pProjectRaster.out_raster = poutputRaster;//設(shè)置輸出的柵格。pGPProcessout = pProjectRaster as IGPProcess;pGeoprocessor.Execute (pGPProcessout, null) ;

最后將影像投影到經(jīng)緯度坐標(biāo)并輸出kmz 文件，方便加載到其他影像地圖上。

圖5 投影輸出工具

3.2 糾正結(jié)果

圖6 上圖為糾正后的影像，上半部分被濃煙覆蓋，中間位置可以看見(jiàn)很明顯的火線，圖6 下圖為疊加到Google 地球上進(jìn)行展示：

圖6 糾正結(jié)果

4 典型應(yīng)用

2020 年3 月26 日起，四川省涼山彝族自治州境內(nèi)冕寧縣、西昌市、木里藏族自治縣等多地連續(xù)突發(fā)森林火災(zāi)，火勢(shì)蔓延，時(shí)刻威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。按省測(cè)繪應(yīng)急指揮中心緊急部署，中心立即啟動(dòng)測(cè)繪保障應(yīng)急預(yù)案，迅速集結(jié)應(yīng)急測(cè)繪保障隊(duì)伍，攜無(wú)人機(jī)、靜中通、動(dòng)中通等多套應(yīng)急裝備，緊急奔赴災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展火情偵察，火場(chǎng)地處溝深、谷窄、高差大山區(qū)，氣流紊亂，無(wú)人機(jī)只能順溝或盤(pán)旋進(jìn)行升降，并在火場(chǎng)上方300 米高空?qǐng)?zhí)行火勢(shì)火情偵察任務(wù)，獲取明火點(diǎn)可見(jiàn)光及熱紅外視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)衛(wèi)星實(shí)時(shí)回傳至后方指揮中心，并同步開(kāi)展森林火災(zāi)視頻影像應(yīng)急專(zhuān)題圖制作，為前線指揮部、省森林草原防滅火指揮中心等各級(jí)指揮部門(mén)及時(shí)掌握火點(diǎn)精確位置、輪廓、蔓延方向等現(xiàn)場(chǎng)火情態(tài)勢(shì)、指揮調(diào)度直升機(jī)開(kāi)展吊桶滅火和地面消防人員滅火提供了重要支撐。

結(jié)束語(yǔ)

四川測(cè)繪地理信息局在應(yīng)急測(cè)繪保障工作研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)基于POS 的無(wú)人機(jī)航片快速糾正，再疊加現(xiàn)有影像地圖實(shí)現(xiàn)了全面直觀的展示航片和火線位置，用于災(zāi)情研判、災(zāi)后過(guò)火面積統(tǒng)計(jì)、災(zāi)損分析與評(píng)估等工作提供了重要的地理信息支撐，同時(shí)后方同步制作影像應(yīng)急專(zhuān)題圖，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)在應(yīng)急測(cè)繪保障方面的典型示范，提升了無(wú)人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)能力。