免像控?zé)o人機(jī)數(shù)字航空攝影技術(shù)在獲取高原濕地高精度影像中的應(yīng)用
——以祁連山國(guó)家公園酒泉片區(qū)甘肅鹽池灣國(guó)際重要濕地為例

趙永成，李俊芳，張 帆，宋智軍

（1.甘肅鹽池灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心，甘肅 酒泉 736300；2.寧夏天昱科技有限公司，銀川 750000）

近年來(lái)，越來(lái)越多的測(cè)繪行業(yè)無(wú)人機(jī)及無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的研發(fā)，使得數(shù)字航空攝影技術(shù)的遙感系統(tǒng)更加完善。在大面積和復(fù)雜地理環(huán)境下（如高原、濕地、雪山和冰川等）的航空攝影作業(yè)常常受制于無(wú)像控點(diǎn)的原因不能快速獲取高分辨率的影像。在此類特殊地理環(huán)境下，免像控?zé)o人機(jī)結(jié)合星鏈RTK 進(jìn)行數(shù)字航空攝影作業(yè)，一方面可快速獲取高分辨率影像及高精度控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，另一方面可野外預(yù)先快速實(shí)測(cè)影像未能分辨的地物要素，提高大比例尺地形圖成圖的完整性和工作效率。

1 免像控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)和數(shù)字航空攝影技術(shù)概述

免像控?zé)o人機(jī)航空攝影技術(shù)是一種新的數(shù)字測(cè)繪航空攝影技術(shù)，是通過(guò)用高精度RTK 和慣導(dǎo)測(cè)量控制單元（IMU）快速采集無(wú)人機(jī)航測(cè)時(shí)的精確位置和無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息，為數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理工作提供更為準(zhǔn)確與可靠穩(wěn)定的起算數(shù)據(jù)，提高任務(wù)結(jié)算的精度從而有效達(dá)到免像控目的[1]。

1.1 飛馬免像控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)

飛馬D2000 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是飛馬全新研發(fā)的一款小型、長(zhǎng)航時(shí)但同時(shí)能滿足高精度測(cè)繪、遙感及視頻應(yīng)用的多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，具備多源化數(shù)據(jù)獲取能力。全系統(tǒng)模塊化分解后可集成在一個(gè)作業(yè)箱中，便于攜行。其主要性能指標(biāo)有：空機(jī)重量2.6 kg，最大起飛3.35 kg，最大載重750 g，最大飛行速度20 m/s，差分GPS 20 Hz，最大起飛海拔6 000 m，圖傳大于等于5 km，數(shù)傳大于等于20 km，工作溫度-20～45 ℃。

D2000S 無(wú)人機(jī)配備高精度GNSS 板卡，支持PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式，可實(shí)現(xiàn)稀少外業(yè)控制點(diǎn)或一定條件（地物特征豐富）下無(wú)控制點(diǎn)的1∶500 成圖，支持高精度IMU 獲取及精確POS 輔助空三，實(shí)現(xiàn)免像控應(yīng)用。其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 雙頻GPS 導(dǎo)航模塊參數(shù)

D2000S 無(wú)人機(jī)是一款有多模塊化載荷的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，外部可以搭載不同的載荷設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)作業(yè)。其搭載的5 個(gè)載荷模塊為航測(cè)模塊用于正射影像作業(yè)，傾斜模塊（五鏡頭）用于傾斜攝影生產(chǎn)實(shí)景三維模型的作業(yè)，同時(shí)還可以搭載可見(jiàn)光視頻模塊、熱紅外視頻模塊、熱紅外遙感模塊3 個(gè)模塊。因而具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)獲取能力，既能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)繪，還能實(shí)現(xiàn)遙感監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控等作業(yè)目標(biāo)。

其任務(wù)載荷采用模塊化設(shè)計(jì)，搭配航測(cè)模塊滿足航空攝影技術(shù)，即遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)定位、目標(biāo)實(shí)時(shí)追蹤和目標(biāo)位置、速度估算等功能。同時(shí)配合無(wú)人機(jī)管家專業(yè)版軟件，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的地形跟隨飛行，保障影像分辨率一致性同時(shí)提高分辨率。支持從精準(zhǔn)三維航線規(guī)劃、三維實(shí)時(shí)飛行監(jiān)控、控制點(diǎn)量測(cè)到空三處理全流程作業(yè)，提供DOM、DEM、DSM 和TDOM 等多種數(shù)據(jù)成果及瀏覽。

1.2 數(shù)字航空攝影技術(shù)

航空攝影是利用航空設(shè)備搭載光學(xué)相機(jī)在空中對(duì)地面或者空中目標(biāo)進(jìn)行攝影，從攝影方式和像片傾斜角度分為垂直攝影和傾斜攝影。隨著無(wú)人機(jī)的不斷發(fā)展，航空攝影也越來(lái)越成熟穩(wěn)定，無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)也被普及于各個(gè)行業(yè)的各種業(yè)務(wù)中。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)以全數(shù)字航空攝影理論為基礎(chǔ)，搭載數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)完成。無(wú)人機(jī)航空攝影因其低空飛行而獲取影像的精度高，反應(yīng)速度快，作業(yè)成本低，特別是不懼復(fù)雜且特殊的地理環(huán)境等特點(diǎn)，被廣泛用于測(cè)繪，水文、礦產(chǎn)資源的調(diào)查和農(nóng)林牧業(yè)的監(jiān)測(cè)中。

2 免像控?zé)o人機(jī)在高原地區(qū)航空攝影作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高原地區(qū)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響因素

無(wú)人機(jī)飛行設(shè)計(jì)本就是屬于低空飛行設(shè)計(jì)，在海拔低的平原地區(qū)飛行是不受影響的。但是當(dāng)在高原高海拔地區(qū)就要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1）海拔高度升高時(shí)，大氣密度將明顯降低，致使溫度下降，空氣稀薄，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率會(huì)隨著高度明顯下降。此時(shí)對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)講，就要考慮旋翼總需用功率，要設(shè)計(jì)并使用面向高原槳葉，使無(wú)人機(jī)在高原地區(qū)的大氣環(huán)境下有足夠的升力[2]。

2）高原高海拔地區(qū)的氣候條件通常比較惡劣，尤其是在重疊的山脈中，往往自有“小氣候”存在，導(dǎo)致氣候變化差異性大。比如，突如其來(lái)的大風(fēng)、雨雪和濃霧等氣象條件都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行造成很大的影響。在高原地區(qū)無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)一定要事先了解氣象情況，勘察現(xiàn)場(chǎng)，飛行作業(yè)之前要預(yù)留足夠的時(shí)間觀察現(xiàn)場(chǎng)并記錄有無(wú)“小氣候”的存在，做足地面保障工作和飛行保障工作，確保無(wú)人機(jī)安全航攝作業(yè)。

3）高原地區(qū)平均氣溫通常較低，甚至常年在零度以下。從事航空攝影作業(yè)的無(wú)人機(jī)為電動(dòng)無(wú)人機(jī)。電動(dòng)方式穩(wěn)定性高，不易抖動(dòng)，飛行時(shí)飛機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)，這點(diǎn)對(duì)于光學(xué)相機(jī)的攝影至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)人機(jī)的鋰電池的作業(yè)環(huán)境在氣溫低于4 ℃時(shí)，鋰電池電解液會(huì)變稠或凝結(jié)，使電池充、放電效率和電池電量降低，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間大大縮短，影響飛行作業(yè)。在高原地區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空作業(yè)時(shí)要盡量選擇春夏兩季，且未作業(yè)時(shí)要對(duì)電池注意保溫，在作業(yè)時(shí)也應(yīng)對(duì)電池先進(jìn)行預(yù)熱，作業(yè)中也要時(shí)刻注意無(wú)人機(jī)電量變化，保障有足夠的電量返航，以免發(fā)生低電量無(wú)法安全返航而墜機(jī)[3]。

2.2 免像控?zé)o人機(jī)在高原數(shù)字航空攝影的技術(shù)方案

無(wú)人機(jī)航空攝影作業(yè)通常指的是免像控?zé)o人機(jī)數(shù)字航空攝影。數(shù)字航空攝影作業(yè)是結(jié)合地理信息即地面控制點(diǎn)完成。但是在高原地區(qū)，由于海拔高、地理環(huán)境特殊、氣候條件惡劣等因素，通常這些地區(qū)無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，免像控?zé)o人機(jī)就無(wú)法基于千尋位置平臺(tái)、省級(jí)CORS 和移動(dòng)CORS 等高精度定位平臺(tái)獲取地面控制點(diǎn)和坐標(biāo)信息，因而不能實(shí)現(xiàn)免像控?cái)?shù)字航空攝影，此類情況下就要布設(shè)像控點(diǎn)。當(dāng)然，在平原地區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)很容易，在高原地區(qū)通常有兩大障礙。一是高原地區(qū)往往沒(méi)有就近的已知控制點(diǎn)，二是較遠(yuǎn)的控制點(diǎn)不能直接使用，需要由遠(yuǎn)到近不斷引點(diǎn)。引點(diǎn)不僅受制于距離和高原特殊的地理環(huán)境，如高原、濕地、雪山和冰川等，而且引點(diǎn)的誤差是積累誤差，這對(duì)于測(cè)繪精度的影響較大，成本也是巨大的。由于以上兩大障礙，導(dǎo)致常規(guī)的航空攝影技術(shù)方案在高原地區(qū)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)的。

基于以上所述情況，在高原地區(qū)無(wú)人機(jī)數(shù)字航空攝影就需要新的技術(shù)方案。通過(guò)理論指導(dǎo)和試驗(yàn)嘗試，有2 種技術(shù)方案是可行的。一是RTK 無(wú)人機(jī)與星鏈RTK 基準(zhǔn)站結(jié)合進(jìn)行厘米級(jí)別的高精度定位的航空攝影作業(yè)。二是選用PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式的無(wú)人機(jī)和星鏈RTK 結(jié)合進(jìn)行厘米級(jí)別的高精度定位的航空攝影作業(yè)。這2 種技術(shù)方案的地面站RTK 都必須選用星鏈RTK，區(qū)別與平原地區(qū)的傳統(tǒng)地鏈RTK。通過(guò)理論研究和實(shí)踐，在高原地區(qū)的無(wú)人機(jī)數(shù)字航空攝影更適合于第二種技術(shù)方案。其技術(shù)方案示意圖如圖1 所示[4]。

圖1 PPK／RTK 無(wú)人機(jī)與星鏈RTK 技術(shù)方案示意圖

依據(jù)這種技術(shù)方案，選用飛馬D2000S 無(wú)人機(jī)和千尋星距SR3 Pro 星鏈RTK。其優(yōu)勢(shì)是充分利用了飛馬D2000S 免像控?zé)o人機(jī)所配備的高精度GNSS 板卡，D2000S 支持的PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式與基于星鏈的千尋星距SR3 Pro RTK 厘米級(jí)別的高精度定位的結(jié)合，相較于傳統(tǒng)的不支持PPK 作業(yè)模式的單RTK作業(yè)模式的無(wú)人機(jī)定位精度高，工作效率高，工作半徑大，操作簡(jiǎn)便。

2.3 免像控?zé)o人機(jī)在高原數(shù)字航空攝影的關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中載荷的航測(cè)相機(jī)是屬于非量測(cè)相機(jī)。顧名思義，非量測(cè)相機(jī)不能直接進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)用于數(shù)字航空攝影的時(shí)候就要對(duì)非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行高精度校驗(yàn)，也就是解決相機(jī)的畸變差問(wèn)題。校驗(yàn)的方法是基于空間后方交會(huì)模型的試驗(yàn)場(chǎng)檢校法，即通過(guò)拍照的已知空間坐標(biāo)點(diǎn)，依據(jù)單片空間后方交會(huì)解法或多片空間交會(huì)解求外方位元素以及其他影響光速形狀的要素[5]。

2.3.2 PPK 和INS 技術(shù)

PPK 技術(shù)，即動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GPS 定位技術(shù)。由于無(wú)人機(jī)體型小，在飛行過(guò)程中受到來(lái)自大氣壓和風(fēng)力的因素會(huì)使飛機(jī)姿態(tài)受損，對(duì)采集的數(shù)據(jù)精度有所影響，需要做修正。而PPK 技術(shù)就是一種動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，能夠用來(lái)自行修改相片位置、糾正數(shù)據(jù)信息，保證數(shù)據(jù)精度不會(huì)受損。而且PPK 技術(shù)還能夠克服部分氣候帶來(lái)的不利影響，其應(yīng)用原理在于先借助接收機(jī)、流動(dòng)站測(cè)量衛(wèi)星載波機(jī)位，然后利用PPK 技術(shù)糾正、確認(rèn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。INS 技術(shù)則是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該技術(shù)不依賴于外部信息就能夠自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)信息，并繪制相關(guān)圖像，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其應(yīng)用原理在于根據(jù)慣性空間力學(xué)定律計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行調(diào)整和確認(rèn)[6]。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 項(xiàng)目區(qū)域概況

項(xiàng)目研究區(qū)域隸屬于祁連山國(guó)家公園酒泉片區(qū)，具體為鹽池灣國(guó)際重要濕地，面積約為200 km2。其位于青藏高原北緣，祁連山西端，孕育了冰山凍土、高山寒漠、高山草甸草原、濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)。其中冰川和濕地在祁連山疏勒河流域水源涵養(yǎng)、水土保持方面有著無(wú)可替代的重要作用。

3.2 項(xiàng)目作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)數(shù)字航空攝影的工作應(yīng)用于各類不同的項(xiàng)目中都有相應(yīng)的作業(yè)流程，以便更好地進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，最主要的是按照流程做好流程每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)工作。高原濕地變化的監(jiān)測(cè)流程如圖2 所示。

圖2 項(xiàng)目作業(yè)流程圖

3.3 項(xiàng)目實(shí)施中具體應(yīng)用要點(diǎn)

3.3.1 明確作業(yè)任務(wù)需求，正確選擇攝影方式

無(wú)人機(jī)數(shù)字航空攝影技術(shù)分為垂直攝影和傾斜攝影。攝影方式的選擇是根據(jù)作業(yè)任務(wù)需求的不同而確定，一般以獲取正射影像為目的的攝影方式為垂直攝影，以實(shí)景三維建模為目的的作業(yè)攝影方式為傾斜攝影。此項(xiàng)目研究的是高原濕地的變化，是需要高精度的正射影像，采用垂直攝影方式進(jìn)行作業(yè)。

前文提到過(guò)，D2000S 無(wú)人機(jī)是一款有多模塊化載荷的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，外部可以搭載不同的載荷設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)作業(yè)。此項(xiàng)目作業(yè)選擇搭載的載荷模板是航測(cè)模板（D-CAM3000），即垂直攝影相機(jī)模塊進(jìn)行作業(yè)，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 航測(cè)模塊（D-CAM3000）

3.3.2 優(yōu)化航線設(shè)計(jì)，獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)

數(shù)字航空攝影的目的就是獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。在實(shí)際的航空攝影作業(yè)中，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化航線，包括無(wú)人機(jī)的飛行高度、旁向重疊度和航向重疊度等相關(guān)參數(shù)，以此達(dá)到獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的目標(biāo)[7]。

研究高原濕地的變化，對(duì)正射影像精度要求是優(yōu)于0.2 m 即可。采用航測(cè)模板（D-CAM3000）對(duì)項(xiàng)目研究區(qū)域航攝獲取正射影像數(shù)據(jù)，飛行高度638 m，地面分辨率10 cm，航向重疊80%，旁向重疊60%，測(cè)區(qū)內(nèi)布控3 個(gè)檢查點(diǎn)。采用PPK/RTK 融合差分作業(yè)模式進(jìn)行1∶1 000 免像控地形圖精度的航空攝影規(guī)劃航線。

3.3.3 航攝實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)掌握氣象情況，密切關(guān)注電量情況

在高原濕地進(jìn)行航空攝影作業(yè)，因其可能有“小氣候”的存在，特別要注意的是攝區(qū)的天氣情況。同時(shí)因?yàn)楦咴貐^(qū)氣溫低對(duì)鋰電池的影響較大，飛行作業(yè)時(shí)也要密切關(guān)注返航距離與無(wú)人機(jī)電池電量情況，確保無(wú)人機(jī)能有足夠的電量安全返航。

3.4 數(shù)據(jù)處理及生產(chǎn)的要點(diǎn)

3.4.1 GPS 解算

通過(guò)飛馬無(wú)人機(jī)管家進(jìn)行千尋虛擬基站數(shù)據(jù)的下載。飛馬D2000S 無(wú)人機(jī)自帶PPK/RTK 融合差分模式，經(jīng)PPK/RTK 融合差分解算，以及GPS 解算將大幅度提高POS 數(shù)據(jù)精度，優(yōu)質(zhì)的POS 數(shù)據(jù)有助于提高空三加密的精度。

3.4.2 空三加密

飛馬無(wú)人機(jī)管家專業(yè)版支持“高精度GPS 免像控模式、PPK+控制點(diǎn)、僅控制點(diǎn)”3 種空三模式，可滿足各種數(shù)據(jù)的處理需求。這里采用“PPK+控制點(diǎn)”的空三處理模式。即導(dǎo)入測(cè)區(qū)控制點(diǎn)文件，完成刺點(diǎn)工作后，將所有控制點(diǎn)設(shè)置成檢查點(diǎn)，使用“PPK+控制點(diǎn)”的空三算法重新進(jìn)行定向計(jì)算，并得到精度報(bào)告。

3.5 甘肅鹽池灣國(guó)際重要濕地高精度影像獲取的目的

高原濕地在水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)、碳固定和生物多樣性保育等方面發(fā)揮著重要的作用，對(duì)高原濕地的研究和監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。早在20 世紀(jì)90 年代，科研人員就開(kāi)始將遙感技術(shù)應(yīng)用到高原濕地的研究監(jiān)測(cè)中，當(dāng)然這得益于衛(wèi)星遙感的快速發(fā)展[8]。但是衛(wèi)星遙感屬于高空攝影，在具體的研究中通常因?yàn)橛跋窬炔桓叨璧K研究，而更高精度的影像獲取是需要無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航空攝影來(lái)完成。

2014 年國(guó)家林業(yè)局印發(fā)《國(guó)際重要濕地生態(tài)特征變化預(yù)警方案（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《方案》），對(duì)國(guó)際重要濕地生態(tài)特征變化實(shí)行由低到高的黃色、橙色和紅色三級(jí)預(yù)警?！斗桨浮芬?guī)定，預(yù)警級(jí)別將依據(jù)評(píng)估結(jié)果中監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化情況確定。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度更高時(shí)，得到的監(jiān)測(cè)指標(biāo)就更為準(zhǔn)確。對(duì)于濕地生態(tài)特征變化的監(jiān)測(cè)就需要更高精度的正射影像。因此對(duì)祁連山國(guó)家公園酒泉片區(qū)鹽池灣國(guó)際重要濕地進(jìn)行優(yōu)于0.2 m 的無(wú)人機(jī)航空攝影，以便得到更高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)和分析鹽池灣國(guó)際重要濕地的生態(tài)特征變化。

在國(guó)家大地坐標(biāo)系CGCS2000，1∶100 000 比例尺的影像圖為祁連山國(guó)家公園酒泉片區(qū)甘肅鹽池灣國(guó)際重要濕地衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)影像融合圖，圖例中紅色為鹽池灣國(guó)際重要濕地航測(cè)范圍。從衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)的融合圖中可以明顯看出衛(wèi)星影像和無(wú)人機(jī)影像的幾何特征與物理特征都有明顯的差距，無(wú)人機(jī)航攝影像的分辨率即精度遠(yuǎn)高于衛(wèi)星遙感影像。

在國(guó)家大地坐標(biāo)系CGCS2000，1∶2 000 比例尺的無(wú)人機(jī)影像圖（局部）中，其地面分辨率是15～20 cm，在這個(gè)影像精度下，對(duì)于濕地生態(tài)特征變化的是非常明顯直觀的，因而解譯得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。這為祁連山國(guó)家公園酒泉片區(qū)鹽池灣國(guó)際重要濕地的生態(tài)特征變化監(jiān)測(cè)提供了更高精度的基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了免像控?zé)o人機(jī)在無(wú)網(wǎng)絡(luò)RTK覆蓋的高原濕地進(jìn)行數(shù)字航空攝影獲取高精度影像的作業(yè)模式的可行性，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)該作業(yè)模式獲取高精度影像的效率及精度進(jìn)行了分析，該作業(yè)模式大幅度提高無(wú)人機(jī)在無(wú)網(wǎng)絡(luò)RTK 覆蓋的高原濕地等地區(qū)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的精度和效率。