無人機影像采集技術研究

劉丹丹 韓禮

摘 ?要：目前，無人機被廣泛應用于攝影測量和遙感應用當中，其飛行性能靈活而穩(wěn)定、具有良好的開發(fā)改裝潛力、便于人們操作與控制。此前工作人員在傾斜攝影的時候需要使用多個鏡頭，無人機影像采集技術出現(xiàn)以后，進行傾斜影像采集的時候憑借單鏡頭相機就可以達成目標。文章詳細研究了無人機影像采集技術，以慈溪市1：1 000航拍為研究對象，結合傾斜攝影的相關需求以及無人機的特點來進行，最終提出適宜的策略，確保其工作順利開展。

關鍵詞：無人機;影像采集;航拍

中圖分類號：P237;TP751 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0013-03

Abstract：At present，unmanned aerial vehicle （UAV） is widely used in photogrammetry and remote sensing applications. Its flight performance is flexible and stable，has good development and refitting potential，and is easy for people to operate and control. Before，the staff needed to use more than one lens in tilt photography. After the emergence of UAV image acquisition technology，the goal can be achieved by using a single lens camera. This paper studies the UAV image acquisition technology in detail，taking Cixi City 1：1 000 aerial photography as the research object，combined with the relevant needs of tilt photography and the characteristics of UAV，and finally puts forward appropriate strategies to ensure the smooth development of its work.

Keywords：UAV;image acquisition;aerial photography

0 ?引 ?言

目前我國正在開展第三次國土調查工作，而在國土調查工作中，主要憑借航拍影像采集技術來獲得數(shù)據(jù)。浙江省慈溪市自然資源和規(guī)劃局負責慈溪市國土調查工作，主要工作內容為：慈溪市1：1 000航拍影像采集制作。本次任務我院聯(lián)合江西省地礦測繪院，共同利用航空攝影，采集并制作慈溪市全市范圍的1：1 000比例尺精度的數(shù)字正射影像，影像分辨率優(yōu)于0.1米。成果影像數(shù)據(jù)作為第三次全市國土調查的工作底圖。在此項工作中，總結了前人經(jīng)驗，研究得出一些新的思路方法，供相關人員參考。

1 ?研究區(qū)域概況

本次研究的區(qū)域集中在慈溪市，從地理位置來看，此區(qū)域位于浙東杭州灣的南岸，東、東南等區(qū)域與鎮(zhèn)海區(qū)、江北區(qū)接近，而浙東杭州灣的西、西南等區(qū)域與余姚市相接。從經(jīng)緯度來看，本區(qū)域位于北緯30°02′～30°24′與東經(jīng)121°02′～121°42′之間，本區(qū)域在滬、杭、甬三角地區(qū)中作為核心部分。其境總面積已經(jīng)達到968.26平方千米。對于慈溪市土地調查工作來講，主要憑借航拍作業(yè)，擬用無人機進行航空攝影，即對慈溪市整個區(qū)域使用無人機進行航拍，經(jīng)過影像采集與制作最終得到了數(shù)字正射影像圖（DOM），此項目涉及面積968.26平方千米，如圖1所示。

2 ?技術路線

整體技術路線如圖2所示。

（1）對測區(qū)已有的資料進行收集，對飛行航線進行規(guī)劃設計，編制航攝計劃，并向慈溪市所屬空軍部隊進行空中管制申報;

（2）對測區(qū)實施1：1 000比例尺精度航空攝影，且使用無人機飛行平臺，同時發(fā)揮尼康D810航拍攝相機的作用;

（3）憑借CORS系統(tǒng)的同時利用領先的GPS技術來進行像控點的測量，對研究區(qū)域進行航空攝影的時候主要發(fā)揮無人機的各種功能;

（4）對像控點進行布設的時候主要憑借Inpho攝影測量處理系統(tǒng)來完成，最終獲得測區(qū)的自由網(wǎng)快拼總圖。其中，像點中心坐標為高精度POS數(shù)據(jù)，而外方位元素能快速解算攝影測量中的自由網(wǎng)初步結果;

（5）針對測區(qū)進行加密分區(qū)操作，此操作主要使用航空攝影資料、后差分的像點坐標以及像控點成果等數(shù)據(jù)，同時使用Inpho攝影測量系統(tǒng)之中的MATCH-AT模塊進行空中三角測量計算;

（6）為了迅速提取地形和地表信息，積極使用MATCH- T DSM;為了確保影像測區(qū)形成無縫模型，需要從立體像對中進行提取高精度的數(shù)字地形模型和數(shù)字地表模型，最終需要對DSM/DTM進行編輯，此時需要發(fā)揮DTMaster模塊的作用;

（7）為了獲得高質量的數(shù)字正射影像，需發(fā)揮OrthoMaster模塊的作用，同時需要具備一定的源數(shù)據(jù)，包括空三成果、數(shù)字地形模型（DTMs）等，同時充分發(fā)揮OrthoVista模塊自動補償?shù)墓π?，即對源于影像處理過程的影像亮度和改變的顏色，最終合并多個單模型正射影像完成一幅正射影像鑲嵌圖，此正射鑲嵌圖沒有縫隙、具有平衡的色彩;

（8）為了快速提取自動地形和地表信息需要借助Inpho系統(tǒng)中的MATCH-T DSM模塊，高精度的數(shù)字地形模型與數(shù)字地表模型等模型，需要從空三加密后的立體模型中提取，最終影像測區(qū)獲得無縫模型。在這之后進行編輯操作，且憑借MATCH DTMaster模塊，最終測區(qū)形成數(shù)字高程模型（DEM）;

（9）為了進一步完成鑲嵌、勻色等操作，需要發(fā)揮OrthoMaster模塊的作用，然后進行分幅、裁切、輸出等操作最終獲得DOM成果;

（10）依據(jù)經(jīng)過裁切操作之后DOM制作慈溪市國土調查工作底圖。

3 ?慈溪市1：1 000航拍中重點技術環(huán)節(jié)

3.1 ?航線設計

在設計航攝分區(qū)之前，收集了慈溪市的數(shù)字化高程模型，在設計的重點突出以下兩方面：其一，超過攝區(qū)和航路上最高點100.0米以上的高度為飛行高度，而航線總航程不能超過無人機續(xù)航能達到的最長路程;其二，對于分區(qū)內的地形高差而言，其數(shù)值小于等于1/6攝影航高，盡量增加分區(qū)航線跨度，保證整個拍攝區(qū)域均被覆蓋。根據(jù)DEM分析出慈溪市的地勢特點：北部平緩，南部多山，且平緩區(qū)約占區(qū)域總面積的2/3，山區(qū)約占1/3，依據(jù)該數(shù)據(jù)將研究區(qū)域劃分為兩部分，即平原測區(qū)和山地測區(qū)。慈溪市區(qū)域共規(guī)劃布置59條基線，且規(guī)劃按照相關原則來進行。其一，航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線，應大于等于兩條基線;其二，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線大于等于像幅的一半。

3.2 ?像片控制點布設

目前慈溪市區(qū)域網(wǎng)布點具有不規(guī)則的特點，主要受地形條件的影響，比如，布平高點于凸出處，而布高程點于凹進處，相比于兩條基線的長度，凹角點與凸角點之間距離更長時，則布設平高點于凹角處，如圖3所示。

3.3 ?航空影像空三加密處理

以制定的規(guī)范以及項目的精度要求為依據(jù)，詳細分析此次航空影像與外業(yè)控制點信息，最終明確空三加密作業(yè)的具體要求，同時及時構建對應的加密分區(qū)工程，并對測區(qū)基本參數(shù)進行設置，最終構建相機與控制點的相應文件。在建立測區(qū)影像航線列表的時候依據(jù)加密分區(qū)來進行。通過軟件對定向、全自動轉點進行相關計算。當遇到大面積水域或大面積植被的時候，軟件會做出必要的提示，最終采取人工干預的辦法來完成計算。

為了順利完成立體觀測切準點位，需要以外業(yè)控制點刺點說明與點位略圖為依據(jù)，同時結合刺孔對點位進行判定，最終把外業(yè)控制點引入，同時使用光束法對整個測區(qū)進行平差處理。除此之外，還要在滿足單區(qū)網(wǎng)的加密精度要求的情況下，對區(qū)域網(wǎng)進行間接邊處理操作。在這之后，需要在網(wǎng)間接邊處選出同名點，依次進行計算與比較同一點位的具體坐標;對其誤差進行比較分析，不符合要求的，需要對接邊網(wǎng)的構網(wǎng)強度以及可靠性進行分析，然后經(jīng)過反復修正達到要求。

3.4 ?數(shù)字正射影像生成

經(jīng)過加密操作的空三數(shù)據(jù)需要使用Inpho航測處理系統(tǒng)中的OrthoMaster正射影像生產模塊進行恢復測區(qū)的同時創(chuàng)建立體像的操作。在這之后需要導入已提取的DSM、DEM數(shù)據(jù)，進而獲得單模型的正射影像，為了使整個測區(qū)的模型正射影像達到無縫拼接的效果需要利用鑲嵌線來實現(xiàn)，鑲嵌線生成于OrthoVista鑲嵌勻色模塊，最終經(jīng)過一系列操作獲得標準分幅DOM數(shù)據(jù)成果。具體分析如下：

（1）基于OrthoMaster，進行單模型正射糾正，以DEM為依據(jù)，同時進行采樣操作，使用的方法是雙線性內插或三次卷積內插法，最終得到正射單片;

（2）基于OrthoVista不斷調整色彩，憑借快視圖的作用，確保其顏色符合要求，同時進行導入操作，在這之后對正射影像成果進行全自動勻色處理，最終使DOM影像要達到要求即可;

（3）系統(tǒng)往往憑借DSM與DEM對地物是否優(yōu)化生成鑲嵌線，進行智能判斷，及時躲避相關障礙物，使建筑物及其他要素更加完整的同時保證鑲嵌沒有縫隙;

（4）嚴格按照相關要求裁切輸出DOM標準分圖幅，經(jīng)過裁切操作后的影像應避免有黑白邊的情況發(fā)生。

4 ?經(jīng)驗總結

通過對慈溪市1：1 000航拍項目的研究與分析，總結了在進行無人機影像采集的過程中相關的方法與技巧，具體分析內容如下：

（1）針對測區(qū)來看，主要選擇的是丘陵、山地等地區(qū)，這些地區(qū)具有茂盛的植被，導致目標點不是很多，尤其明顯的目標點很少，極大增加了布設像控點的難度;一旦航向連續(xù)出現(xiàn)4條以上基線，或旁向連續(xù)出現(xiàn)2條以上基線的時候，工作人員沒有辦法在像片標準點位上找到最佳的目標，此時應該對基線跨度進行完善，或者布設像控點的時候應該選擇在像片不是標準點位的位置;

（2）若使用CORS網(wǎng)絡RTK模式對像控點的平面與高程坐標進行測定的時候，需要控制好時間，比如，初始化時間高于3分鐘之后，依然得不到固定解的話，有必要對通信鏈接實施斷開操作，同時把GNSS接收機重新打開，也就是對其進行初始化工作。若反復進行3次之后依然達不到初始化的目的，則應詳細分析本次現(xiàn)場觀測的環(huán)境與通信鏈接狀況，然后選擇較好的位置再進行測量;

（3）在進行空三加密時若出現(xiàn)自動挑點的現(xiàn)象，則需要對加密區(qū)的點位分布情況進行檢查，這樣做的目的是為了確保任何一張影像的連接點與其標準點對應。對于那些少點、沒有點的影像應該添加連接點，以人工的方式，同時及時清除影像邊緣點，使控制網(wǎng)達到一定的精度與強度;

（4）在制作DOM的時候，需要及時判斷地物優(yōu)化生成鑲嵌線，即憑借DSM和DEM數(shù)據(jù)，最終獲得完整的建筑物，同時接邊達到自然過渡，無縫鑲嵌的效果。

5 ?結 ?論

本文以慈溪市1：1 000航拍為研究對象，闡述了應用無人機對地表進行影像采集的工作流程，并詳細總結了航線設計、像片控制點布設、航空影像空三加密處理及數(shù)字正射影像生成等工作的實踐經(jīng)驗。希望對實踐經(jīng)驗的總結和歸納，為使用無人機航拍技術來影像采集的同仁們提供參考和幫助。

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作者簡介：劉丹丹（1980.10—），男，漢族，浙江慈溪人，測繪工程師，本科，研究方向：測繪工程;韓禮（1976.10—），男，漢族，江西南昌人，測繪助理工程師，本科，研究方向：測繪工程。