基于無人機遙感的高分辨率影像快速獲取研究

黃日娟+梅樹紅+陸向明

摘要：CORS和無人機低空遙感技術(shù)相結(jié)合，利用CORS系統(tǒng)測量攝區(qū)像控點，對無人機航測影像進行幾何校正，生成高精度、高分辨率正射影像圖。該方法經(jīng)驗證是一種便捷的高分辨率影像獲取的技術(shù)方法，極大地擴大了無人機的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：CORS無人機遙感技術(shù)

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在高速發(fā)展的信息時代，如何快速獲取地理空間數(shù)據(jù)已經(jīng)成為研究的熱點。相對于傳統(tǒng)的測量方法，以人造衛(wèi)星、大飛機等為平臺的航天航空攝影測量已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是受氣候、天氣、機場等因素影響巨大，尤其是在廣西，全年的有效作業(yè)時間少，即使是利用衛(wèi)星進行攝影測量，周期也比較長，無法滿足影像應(yīng)急需求。而運用無人機作為平臺的低空遙感方法機動靈活，受外界因素的制約較小，能快速獲取空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析。同時無人機遙感具有成本低、機動靈活、高時效、高分辨率等優(yōu)點，是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和航攝的重要補充。而將CORS系統(tǒng)和無人機低空遙感技術(shù)進行結(jié)合，為提高無人機遙感精度和后期數(shù)據(jù)處理中提供了更好的保障。

1試驗區(qū)概況

此次實驗區(qū)位于南寧市郊區(qū)北面，面積約80畝，準備進行規(guī)劃建設(shè)。片區(qū)是已經(jīng)進行過土地平整的耕地片區(qū)，地形起伏不大，有一條近5米的河流沿地塊西面、北面和東面流過，地塊四周周邊回填造路，路面寬約3米，道路同時又是防洪堤壩，以防河流漲水時對片區(qū)內(nèi)經(jīng)濟作物造成影響。測區(qū)內(nèi)有菜地、果園、魚塘和管理用房等。為協(xié)助業(yè)主合理規(guī)劃試驗區(qū)的土地，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、提高土地集約利用效率，決定利用最高效的方式對試驗區(qū)開展航拍，獲取試驗區(qū)高分辨率影像。

2 CORS和無人機遙感技術(shù)特點

2.1 CORS系統(tǒng)

CORS系統(tǒng)，即利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）。具體指利用地面布設(shè)的一個或多個基準站組成GPS連續(xù)運行參考站，綜合利用各個基站的觀測信息，通過建立精確的誤差修正模型，通過實時發(fā)送RTCM差分改正數(shù)，修正用戶的觀測值精度，在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)移動用戶的高精度導航定位服務(wù)。廣西連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（以下簡稱：GXCORS）是利用現(xiàn)代衛(wèi)星定位、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通訊等技術(shù)進行多方位、高深度集成的先進測量系統(tǒng)。它可以全自動、全天候、實時提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的高精度三維坐標和時間信息，是廣西全區(qū)實現(xiàn)自治區(qū)現(xiàn)代化管理、城市現(xiàn)代化管理、數(shù)字廣西建設(shè)、數(shù)字城市建設(shè)等不可缺少的重要組成部分。GXCORS的建成是以GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測技術(shù)為主，并能兼容GLONASS系統(tǒng)，滿足廣西全區(qū)基礎(chǔ)測繪、國土規(guī)劃、土地管理、工程建設(shè)、形變監(jiān)測、交通監(jiān)控、港口管理、公共安全等方面對定位導航服務(wù)的需要。試驗區(qū)坐落在GXCORS服務(wù)區(qū)域內(nèi)，此次是利用GXCORS定位服務(wù)功能進行試驗區(qū)內(nèi)像控制點坐標數(shù)據(jù)采集。

2.2無人機低空遙感技術(shù)

無人機低空遙感技術(shù)，則是利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專用化等作業(yè)特點，快速獲取空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。

此次實驗采用的無人機設(shè)備是大疆精靈2代，其通過陀螺儀、加速計、GPS 位置、方向傳感器、高度傳感器等進行姿態(tài)檢測和控制，有效穩(wěn)定了飛行姿態(tài)。利用3軸云臺搭載小相機，可控制俯仰和滾轉(zhuǎn)的相機云臺帶陀螺自穩(wěn)功能，能夠進行低空影像拍攝。

3 CORS和無人機結(jié)合作業(yè)流程

將CORS系統(tǒng)和無人機遙感技術(shù)進行結(jié)合，作為一種便捷的獲取高分辨率影像的技術(shù)方法，具體操作方法流程有以下方面。

3.1 實驗區(qū)域的原始影像獲取

選擇實驗區(qū)域內(nèi)適合起飛的較平坦的地方作為無人機起飛降落的大本營，基于谷歌地圖對試驗區(qū)域進行區(qū)域分析，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)地形及航飛范圍進行航線規(guī)劃。由于此次試驗區(qū)地處郊區(qū)農(nóng)村，范圍較小，在谷歌地圖上沒有縮略圖可以利用，因此根據(jù)測區(qū)情況，首先進行了兩次試飛，兩次的航線在系統(tǒng)中形成后才對整個試驗區(qū)進行進一步的航線規(guī)劃，此次試驗規(guī)劃航線數(shù)10條，每條航線30張影像。由于試驗區(qū)范圍形狀不規(guī)則，而且周邊有河流，為了保證無人機安全，對試驗區(qū)采用了不規(guī)則航線規(guī)劃設(shè)計，保證試驗區(qū)內(nèi)100%航攝覆蓋。測區(qū)是農(nóng)作區(qū)，不涉及到人員的安全問題。

3.2 攝區(qū)內(nèi)像控點坐標采集及處理

根據(jù)試驗區(qū)大小和地形特點，同時根據(jù)像控點分布的要求，該項目利用GXCORS系統(tǒng)進行試驗區(qū)像控點采集。儀器采用海星達IRTK2S三星雙頻GPS流動站一套。首先，建立項目和坐標系統(tǒng)管理，坐標系統(tǒng)采用國家2000大地坐標系，投影為中央子午線108度三度帶高斯投影，高程采用1956黃海高程系統(tǒng)。用藍牙技術(shù)連接手簿和接收機，通過GPRS接入GXCORS。RTK采樣間隔為1秒，每個點觀測歷元不少于10個。在像控點測量前，對測區(qū)附近的高等級控制點進行檢測，平面和高程較差均滿足要求。

像控點選擇實驗區(qū)內(nèi)明顯的屋頂角點、道路交叉口和田埂交叉點，實測這些特征點的精確坐標及高程，選擇其中20個作為影像糾正控制點，50個作為檢查點。整個項目的航飛及像控采集所用時間約為1.5小時，采集時間段為上午8點半至10點。測圖線劃圖效果如圖2所示。

3.3 影像處理

數(shù)據(jù)處理軟件是Pix4D，Pix4D是集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。無需人工干預，即可將數(shù)千張影像快速制作成專業(yè)的精確的二維地圖和三維模型。Pix4D數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1Pix4D軟件作業(yè)流程圖

影像處理分兩步進行，首先是影像粗校正，主要是利用數(shù)據(jù)處理軟件對原始影像進行初步拼接和正射處理，得到粗校正影像，同時可以檢查航拍相片是否齊全可用；其次，利用采集的像控點坐標對影像進行進一步糾正，對精糾正影像進行重采樣得到具有正確坐標的高精度影像。

最終輸出的成果有數(shù)字表面模型及正射影像，柵格數(shù)字表面模型（DSM）最終保存為GEOTIFF文件，可選擇生成合并瓦片形式，即生成一個融合的大文件，也可以生成分塊的瓦片形式。正射影像圖可以生成GeoTiff格式。正射影像成果如圖3所示。

圖2 線劃圖局部成圖 圖3局部正射影像

軟件最終還提供生成谷歌地圖瓦片和KML文件，瓦片和LML文件可以在GoogleMaps中顯示生成的影像。

軟件最終還生成三維模型成果，用正射影像、DSM生成OBJ格式文件。（在三維建模時使用，可以在3DMAX中打開）三維效果如圖4所示。

圖4 三維地表模型

4 結(jié)語

無人機的航攝規(guī)模、精度以及其作業(yè)模式非常適合較小區(qū)域，其成果與傳統(tǒng)的航攝成果相比較，具有分辨率高、作業(yè)效率高、周期短、輕便靈活、突破云霧天氣影響等優(yōu)勢，采用先進的處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，成果更加豐富、直觀。結(jié)合GXCORS進行作業(yè)，充分利用CORS具有連續(xù)運行、坐標統(tǒng)一、高精度、覆蓋廣和不受天氣影響等特點，CORS輔助采集地面控制點有效彌補無人機硬件設(shè)備的缺陷引起的位置精度不足，為后期數(shù)據(jù)精糾正處理提供精準的像控點坐標。實驗區(qū)的數(shù)據(jù)采集到最終成果生成僅用了一天半時間，相對以往的航空攝影測量效率有很大的提高。

參考文獻

[1] 連蓉.四旋翼無人機影像獲取及DOM 生產(chǎn)研究[J].地理空間信息，2014（1）：80-83，10.

[2] 魯恒，李永樹，何敬，等.無人機低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取與處理[J].測繪工程，2011（1）：51-54.

[3] 尹杰，楊魁.基于無人機低空遙感系統(tǒng)的快速處理技術(shù)研究[J]測繪通報，2011（12）.

[4] 任向紅.微型無人機航空攝影測量技術(shù)在寧夏土地整治中的應(yīng)用——以寧夏中北部土地開發(fā)整理重大工程項目為例[J].測繪與空間地理信息，2013（9）.