無人機海島礁航空攝影測量技術應用

張 凱，張好運，盧旭升，游 畫，薛 彬，翟京生

(1. 天津大學海洋科學與技術學院，天津 300072； 2. 中航通科技發展(天津)有限公司，天津 300350)

海島礁地形的精確測量對船舶安全航行、海洋水產養殖、國家海洋主權維護等具有重要意義，在海洋測繪中占有重要地位。然而常規的海島礁測繪采用全野外測圖作業方式，存在登島難度大、測繪成本高、測繪效率低等問題[1-2]。

無人機航空攝影測量具有自動化程度高、成本低廉、操作便捷等優點，是實現海島礁精細化測量的重要潛力技術。近年來隨著多旋翼無人機控制技術的不斷成熟，無人機航空攝影測量技術得到迅猛發展[3-4]。目前，國內外很多學者已經開展了無人機航空攝影測量在城市建模、礦區監測、地質災害測繪等方面的研究工作[5-8]。在無人機海島礁航空攝影測量方面，國內部分研究所和部隊等單位已經開展了相關理論研究和技術分析[9-10]，但利用無人機實地開展海島礁航空攝影測量的研究卻鮮有報道。

本文通過把無人機航空攝影測量技術應用于海島礁測量，制作海島礁三維模型圖、數字高程模型(digital elevation model，DEM)和正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)等測繪產品。并簡要介紹無人機航空攝影測量的作業流程和關鍵技術，詳細論述無人機海島礁航空攝影測量的實際應用，同時對數據處理過程和結果進行分析和評價。

1 無人機航空攝影測量關鍵技術

1.1 無人機自動控制技術

無人機是開展海島礁航空攝影測量的核心設備，通過搭載云臺和攝像頭，在高空可以獲取不同位置點的高清地面影像圖。為了實現地面影像圖片的自動獲取，減少人為誤差和干擾，降低拍攝難度，關鍵在于開發無人機自動控制技術，包括無人機自動飛行技術和自動拍攝技術。通過地面站規劃飛行任務，利用遙控器上傳給無人機，使其可以按照航跡規劃自動進行定點飛行，并能夠在一定照片重疊度的要求下自動控制拍照速度，拍照間隔，實現無人機在航空攝影測量中影像獲取的自動化。

1.2 三維重建技術

航空攝影測量中的數據處理所采用的是基于圖像的三維重建技術。這一技術從計算機視覺研究發展而來，基于立體攝影測量原理，能夠從多張具有一定重疊度的照片中提取相同特征點并進行追蹤，從而獲取相機的方位、姿態和待測目標的三維空間坐標，合成待測目標的三維模型，最后只需根據實際布設的少量控制點，通過相似變換便可將三維模型從圖像空間坐標系轉換為大地空間坐標系[11-12]。在無人機航空攝影測量過程中，所獲取的每張照片均已記錄了相機的拍攝位置和云臺的姿態信息，在進行三維重建過程中可以利用這些信息進一步優化其合成精度，加快解析速度、提高三維模型質量。

2 無人機海島礁航空攝影測量實地應用

現以山東省威海市某海島礁航空攝影測量為例敘述如下。

2.1 測繪方案概述

本次進行無人機作業的海島礁測量區域長約1000 m，寬約550 m，海拔最高點大約為68 m。根據無人機的相機視角和測量分辨率要求，設計無人機飛行高度約為200 m，飛行區域為矩形，相鄰照片重合度大于50%，預計完成整個航拍任務需飛行5架次。整個航空攝影測量流程如圖1所示。

圖1 無人機航空攝影測量作業流程

2.2 測繪材料準備

此次進行航空攝影測量作業的無人機有大疆公司生產的Phantom 4Pro小型四旋翼無人機，還有中航通生產的Owling六旋翼無人機。Phantom 4Pro無人機單次飛行時間大約為25 min，體積小巧便于攜帶，能抵抗5級大風，搭載云臺攝像機像素為1600萬。Owling無人機載重能力大，飛行穩定性更好，搭載1600萬像素的Zenmuse X5云臺，成像清晰度更高，飛行時間長達3 h，更適用于長時間的海上測繪作業。

此外，還專門設計了用于后期三維模型修正的地面影像控制點靶標板和用于進行三維建模質量評價的分辨率板，如圖2和圖3所示。

圖2 地面控制點靶標圖案(部分)

圖3 航空攝影測量分辨率板

2.3 無人機海島礁航空攝影現場測量

實地航空攝影測量中，根據現場地形考察情況，按照無人機飛行的軌跡不同，設計了兩種飛行測量方案：

(1) 折線形飛行方案。如圖4所示，無人機飛行高度為217 m，飛行軌跡為折線形，飛行過程中機頭朝向不變，航向重疊率為60%，旁向重疊率為50%，飛行最大速度為6 m/s，最短拍照間隔為2 s。一次飛行任務分為5個航次，分別對應不同的相機角度。第一飛行航次，相機鏡頭豎直向下進行拍攝，余下4個航次，相機鏡頭豎直方向為與水平線傾斜45°角朝下，水平方向分別朝前后左右(相對于飛機機身)4個方位對海島進行拍攝。

(2) 環繞型飛行方案。如圖5所示，無人機飛行高度為152 m，以待測島嶼為中心，飛行軌跡為圓弧形，飛行過程中機頭朝向始終指向島嶼中心，旁向重疊率為60%，飛行最大速度為6 m/s，最短拍照間隔為2 s。無人機飛行過程中相機鏡頭朝向豎直方向與水平線呈45°，水平方向直接朝向島嶼中心，按照一定拍照間隔拍照，形成島嶼環繞圖像集。

圖4 折線形飛行方案示意圖

圖5 環繞型飛行方案示意圖

為了對后期制作的三維模型進行修正，此次測量作業共計布設了5個地面影像控制點，如圖6所示，分別分散置于海島礁的不同位置和不同高度，并記錄地面控制點的GPS坐標和相對高度。

圖6 地面影像控制點布設方位

2.4 三維模型構建與結果分析

利用Pix4D軟件對無人機采集的照片進行處理，重建島礁地區的三維立體模型[13]，數據處理流程如圖7所示。對生成的三維地形模型進行進一步的細致處理，去除雜散邊緣、孔洞、不連續點等，根據照片的經緯度計算合成三維模型的大地空間坐標，并利用地面影像控制點對生成模型進行進一步的修正，生成的三維模型如圖8所示，結合地形地貌制作的海島礁數字正射影像圖如圖9所示，海島礁高程圖如圖10所示。

圖7 重建三維模型數據處理流程

圖8 海島礁三維模型

圖9 海島礁正射影像

圖10 海島礁高程

本次航空攝影測量共獲得902張區域影像圖，通過Pix4D軟件對照片進行分析處理，在選取處理區域時剔除大部分區域特征較弱的海洋水體，主要對海島礁主體區域進行了三維建模。根據實際布放的地面測量控制點(靶標圖像)對建立的三維模型進行進一步的修正。

分析處理得到的正射影像圖中布放的分辨率板圖案，計算出該三維模型的分辨率達到0.25 m的水平，可以滿足海島礁測量精度要求。同時分析海島礁高程圖可以發現，由于基于圖像的三維重建技術要求相鄰圖像有明顯的特征匹配點，而相鄰海水圖片的匹配特征點尋找難度大，造成海水部分的高程出現較大誤差，但是海島礁高于水面部分的高程分析是較為準確的。

隨機選取海島礁三維模型上的6個點，如圖11所示，提取其經緯度信息，并與已有地圖上相應位置點的經緯度進行比較，分析結果見表1。通過表1的誤差數據可以得出航空攝影測量得到的三維模型數據相對應的地理坐標具有較高的精度，考慮普通民用GPS誤差大約在10 m左右，所測量海島礁的部分點誤差還優于10 m，因此利用無人機航空攝影進行海島礁地形測量具有非常大的潛在應用價值。

圖11 隨機選取位置點分布圖

位置編號測量經緯度/(°)地圖經緯度/(°)誤差/m137.5729671N,122.0812042E37.5729395N,122.0813200E10.67132237.5733316N,122.0787028E37.5733030N,122.0788148E10.3846337.5725347N,122.0780677E37.5725526N,122.0780423E2.994734437.5707807N,122.0792061E37.5707903N,122.0791930E1.570338537.5697987N,122.0795940E37.5697975N,122.0795685E2.255033637.5683537N,122.0809992E37.5683284N,122.0809552E4.789576

3 結 語

從無人機海島礁航空攝影測量過程和測量結果可以看出，無人機用于海島礁測量不僅能夠大大降低海島礁測量的工作量，提高測量效率，合成的三維模型中島礁部分也具有較高的精度，能夠滿足實際測量需求，是實現海島礁精細化測量的重要技術手段。但同時也必須認識到，該方法的數據處理過程仍有待進一步優化，合成的三維模型中海洋水表面處理仍有較大誤差，圖像數據處理時間也較長，在處理攝像頭畸變和空中三角測量算法方面還需開展深入研究，以便獲得更準確、更高精度的海島礁區域三維地形圖。