低空無人機航攝系統(tǒng)在正射影像制作中的應(yīng)用

魏 涌 畢 凱

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

低空無人機航攝系統(tǒng)在正射影像制作中的應(yīng)用

魏 涌1畢 凱2

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

介紹應(yīng)用低空無人機航攝系統(tǒng)進行城市數(shù)字正射影像制作的流程和方法，研究航空攝影、像控測量及DOM制作等方面的技術(shù)特點。

低空無人機 航空攝影 影像處理 正射影像

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，低空無人機在遠程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，成為近幾年興起的新的航空遙感手段。相對于傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)和影像獲取手段而言，低空無人機航攝技術(shù)具有體積小巧、機動靈活、高效快速、精細準確等優(yōu)點，使得該系統(tǒng)在小區(qū)域測繪方面具有獨特的優(yōu)勢，研究利用無人機獲取的航空影像進行正射影像制作，對于困難地區(qū)影像獲取、鐵路三維空間選線、數(shù)字城市建設(shè)方面具有重要的現(xiàn)實意義。

1 低空無人機飛行系統(tǒng)組成

低空無人機飛行系統(tǒng)由無人機飛行平臺、傳感器、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及地面保障系統(tǒng)五部分組成。

飛行平臺由機體、操控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成。傳感器為經(jīng)過精確檢校后的小型數(shù)碼相機。飛控系統(tǒng)由機載GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)、氣壓傳感器和飛行控制系統(tǒng)等部件組成，可以實現(xiàn)無人機按設(shè)計航線自主飛行。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括地面工作站、監(jiān)控軟件系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和維護系統(tǒng)。地面保障系統(tǒng)主要由運輸車和后勤安全保障車組成。

2 無人機航空攝影技術(shù)

2.1 航空攝影

無人機航攝系統(tǒng)一般執(zhí)行小區(qū)域的數(shù)碼航攝，在航線設(shè)計時無需考慮地球曲率變化，可依照GOOGLE EARTH三維系統(tǒng)，根據(jù)攝區(qū)最高點和最低點高程，求取攝區(qū)基準面高程，絕對航高的計算公式為

無人機數(shù)碼航攝一般不需要進行攝影分區(qū)，只需按攝區(qū)的4個角點進行航線設(shè)計。但是鐵路航攝范圍一般沿設(shè)計線路走向呈帶狀分布，如簡單的按照四個角點進行航線設(shè)計，會造成很大的浪費，應(yīng)根據(jù)成圖需要確定攝影邊界，劃定攝影分區(qū)，對每個分區(qū)單獨進行航線設(shè)計(如圖1所示)。

圖1 攝影分區(qū)示意

航線設(shè)計完成后，需要對初步設(shè)計情況進行檢查，主要檢查內(nèi)容包含攝區(qū)高差與設(shè)計航高的關(guān)系、攝區(qū)最低點的地面分辨率和最高點的重疊度。每個攝區(qū)高差應(yīng)小于1/4航高，攝區(qū)最高點重疊度(即攝區(qū)最小重疊度)和最低處地面分辨率的計算公式為

攝區(qū)最小地面分辨率=

單像元大小=地面分辨率×

攝區(qū)最高點重疊度=

全部檢查工作完成后即可開展航空攝影，獲取數(shù)字影像數(shù)據(jù)。

2.2 像控點布設(shè)

無人機航攝系統(tǒng)的像控測量工作在總體實施流程、基礎(chǔ)控制點測量、像片控制點測量的刺點與整飾、點之記的制作等方面與傳統(tǒng)航空攝影一致。但在區(qū)域網(wǎng)布點方案上與傳統(tǒng)航攝有一定的差別。

區(qū)域網(wǎng)的劃分依據(jù)成圖比例尺、地面分辨率、測區(qū)地形特點、攝區(qū)的實際劃分、圖幅分布等情況全面考慮，根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)實施方案。區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點之間的跨度以能夠滿足空中三角測量精度要求為原則，主要依據(jù)成圖精度、航攝資料的有關(guān)參數(shù)及對系統(tǒng)誤差的處理等多因素確定。

無人機像幅小、基線短、像對多，區(qū)域網(wǎng)布點參照以下方案，即航向相鄰平面控制點間隔基線數(shù)參照如下估算

(1)

(2)

式中ms——連接點(空三加密點)的平面中誤差/mm；

mh——連接點(空三加密點)的高程中誤差/m；

K——像片放大成圖的倍數(shù)；

H——相對航高/m；

b——像片基線長度/mm；

mq——視差量測的單位權(quán)中誤差/mm；

n——航線方向相鄰平高控制點的間隔基線數(shù)。

公式中所涉及的參數(shù)由所采用相機、地面分辨率、成圖比例尺等參數(shù)確定。

旁向相鄰平面控制點的航線跨度應(yīng)不超過表1的規(guī)定。

表1 旁向相鄰平面控制點的航線跨度

無人機航攝獲取的影像相幅小、相片數(shù)多，應(yīng)進行快速拼圖，利用簡單鑲嵌的攝區(qū)影像圖查看攝區(qū)大致情況，選取合乎要求的控制點，并在整體影像圖上規(guī)劃好測量控制點的行進路線，保證控制點測量工作順利進行。

2.3 正射影像制作

正射影像制作流程如圖2所示，主要流程包含空三加密、DEM制作、元數(shù)據(jù)制作和DOM制作等內(nèi)容。

(1)空三加密

首先需要利用相機文件進行影像的畸變差校正，校正完成后建立影像金字塔和索引文件，后續(xù)處理模式和傳統(tǒng)方法一致，采用自動相對定向，并輔以人工交互量測方法，按流程加入像控點成果，完成測區(qū)的空三加密。

(2)DEM制作

利用空三加密成果生成密度匹配點，濾除粗差點后，對特殊地形人工采集特征點線，構(gòu)建三角網(wǎng)，獲取單模型DEM數(shù)據(jù)，以測區(qū)為單位鑲嵌模型DEM數(shù)據(jù)并內(nèi)插格網(wǎng)DEM。

(3)DOM制作

基于空三加密和DEM成果進行DOM單片糾正，并進行勻光勻色處理、接邊、影像鑲嵌與分幅裁切，生成DOM。元數(shù)據(jù)的制作主要根據(jù)分幅DOM的特點，按照統(tǒng)一的標準格式，進行名稱、屬性、精度等信息的錄入。

3 技術(shù)探討

通過低空無人機航攝系統(tǒng)對某地區(qū)約50 km2(按1∶2 000分幅共70幅)進行了正射影像制作，其相對定向中誤差為4 μm(像元大小為6.4 μm)；加密點中誤差平面為0.5 m，高程為0.5 m； DOM檢測點平面點位中誤差為0.63 m，滿足正射影像制作的要求，精度統(tǒng)計情況見表2。

表2 DOM成果精度檢測

(1)低空無人機飛行的穩(wěn)定性易受氣流影響，為保證航攝影像不出現(xiàn)漏洞，應(yīng)加大航向和旁向重疊度，一般設(shè)計航向重疊度為70%，設(shè)計旁向重疊度為50%。

(2)無人機航空拍攝的相機為非量測相機，其像片存在邊緣畸變，航攝相機除對常規(guī)的主點、焦距進行檢校外，還需要對畸變系數(shù)進行檢校。

(3)單片正射影像間拼接時，應(yīng)檢查和適當編輯拼接線，合理選擇平滑參數(shù)，使拼接效果最佳，無明顯拼接縫。拼接線宜選在河邊、路邊、溝、渠、田埂等地方，無法避開居民區(qū)時應(yīng)沿河流中間或道路中間排列。

(4)在城市地區(qū)構(gòu)造DEM時，匹配的點有可能在建筑物頂上，內(nèi)插的DEM會出現(xiàn)突高和突低點，容易引起“拉花”，應(yīng)濾除掉這些點，并使DEM平滑。

(5)影像陰影過長、密度過大，并已掩蓋相鄰景物的區(qū)域，應(yīng)進行陰影和密度處理；影像反差過大造成色彩不柔和、反差過小影響景物判別的區(qū)域，應(yīng)進行反差調(diào)整。

(6)低空無人機在高層建筑區(qū)段航攝，由于影像投影差大、傾斜方向不一致等影響，個別區(qū)段需要降低分辨率進行補飛。

4 結(jié)論

利用低空無人機航攝系統(tǒng)進行數(shù)字正射影像的制作，其相對定向、空三加密、DEM和DOM的精度能滿足當前一般城市數(shù)字正射影像制作的要求。隨著多種機載傳感器、無人機硬件制造技術(shù)的發(fā)展，低空無人機以其機動靈活、現(xiàn)勢性強的特點，必能擁有更加廣闊的發(fā)展前景。

[1] 張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2003

[2] 畢凱.無人機數(shù)碼遙感測繪系統(tǒng)集成及影像處理研究[D].北京：中國測繪科學研究院，2009

[3] 張祖勛.航空數(shù)碼相機及其有關(guān)問題[J].測繪工程，2004，12(4)

[4] 張祖勛.從數(shù)字攝影測量工作站(DPW)到數(shù)字攝影測量網(wǎng)格(DPGrid)[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，32(7)

[5] CH/Z 3004—2010 低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S]

[6] CH/Z 3003—2010 低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S]

[7] 林莉，黃昶.低空無人機航測1000地形圖[J].鐵道勘察，2012，38(1)

[8] 楊鋒， 繆志修，林春峰，等.結(jié)合無人機和地面三維激光掃描技術(shù)獲取高精度DEM及DOM[J].鐵道勘察，2013，39(4)

TheApplicaitonofLowAltitudeUnmannedAerialVehiclePhotographySysteminOrthoimageProduction

WEI Yong BI Kai

2014-01-10

魏 涌(1981—)，男，2004年畢業(yè)于武漢大學測繪工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)02-0017-03

P231

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