多旋翼無(wú)人機(jī)正射影像在應(yīng)急測(cè)繪演練中的應(yīng)用

宋培焱

(深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518034)

1 引 言

近些年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地震、洪水、山體滑坡、安全事故時(shí)有發(fā)生，應(yīng)急測(cè)繪的作用日益顯著，如何快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取災(zāi)區(qū)影像數(shù)據(jù)顯得尤為重要。往往事故及災(zāi)難發(fā)生時(shí)，道路、橋梁發(fā)生損壞導(dǎo)致救援車輛、救援隊(duì)伍無(wú)法進(jìn)入災(zāi)區(qū)，人員儀器也很難快速有效獲取災(zāi)區(qū)最新的地理信息數(shù)據(jù)，天氣狀況不好的情況下，遙感衛(wèi)星也受到很大程度的影響，而此時(shí)無(wú)人機(jī)航測(cè)正射影像圖就可發(fā)揮巨大的作用。它能夠在最短的時(shí)間內(nèi)獲取最有效的地理信息數(shù)據(jù)，為主管部門作出正確指令提供數(shù)據(jù)支持，有力地保障國(guó)家和人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

多旋翼無(wú)人機(jī)具有成本低、靈活度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。此外，它不但能夠低速、低空飛行，而且起飛降落不需要專門的飛機(jī)場(chǎng)，可以根據(jù)任務(wù)需要隨時(shí)起飛，對(duì)場(chǎng)地要求較低，因此以多旋翼無(wú)人機(jī)為主要裝備的航空應(yīng)急測(cè)繪在處置各種突發(fā)事件過(guò)程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2 多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)組成和主要參數(shù)

本次演練采用中海達(dá)六旋翼無(wú)人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)，主要包括飛行器(iFly D6)、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)和配套作業(yè)軟件系統(tǒng)。

iFly D6為專業(yè)級(jí)六旋翼飛行器，機(jī)身采用進(jìn)口碳纖維一體模具成型，具有防火防雨防塵功能；整機(jī)抗電磁干擾設(shè)計(jì)，適應(yīng)能力強(qiáng)；機(jī)臂采用插拔式快拆結(jié)構(gòu)，方便使用和維護(hù)；輕量化的機(jī)身和任務(wù)載荷設(shè)計(jì)；高效率動(dòng)力系統(tǒng)；飛行時(shí)間達(dá)到40分鐘；iFly D6可完成精準(zhǔn)懸停、勻速巡航、航線規(guī)劃等；完美的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，具有超強(qiáng)的抗風(fēng)能力；低電壓自動(dòng)保護(hù)功能；信號(hào)丟失保護(hù)功能等。iFly D6主要參數(shù)如表1所示。

iFly D6主要參數(shù) 表1

3 多旋翼無(wú)人機(jī)在測(cè)繪應(yīng)急演練中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 應(yīng)急測(cè)繪演練概況及內(nèi)容

本次測(cè)繪應(yīng)急演練的模擬場(chǎng)景是2018年某日凌晨，深圳市南山區(qū)某街道發(fā)生洪澇災(zāi)害，該街道地處深圳市市區(qū)西北部，轄區(qū)面積 49.16 km2，轄區(qū)內(nèi)多丘陵，并有一較大型水庫(kù)，地勢(shì)較高，交通不便，在發(fā)生洪澇災(zāi)害后，救援隊(duì)伍不易進(jìn)入災(zāi)區(qū)施救，市政府應(yīng)急辦急需了解災(zāi)區(qū)的受災(zāi)現(xiàn)狀。

演練的主要內(nèi)容包括：

①利用無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)外業(yè)獲取災(zāi)區(qū)的影像數(shù)據(jù)；

②航攝外業(yè)完成后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)獲取的影像圖進(jìn)行快速拼接；

③生成數(shù)字正射影像圖；

④應(yīng)急保障的組織、裝備、后勤保障的應(yīng)急指揮、協(xié)調(diào)和快速處置等。

應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，從圖中可以看出無(wú)人機(jī)航攝充當(dāng)著先頭兵的作用。

圖1 應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 多旋翼無(wú)人機(jī)飛行質(zhì)量及影像質(zhì)量要求

(1)飛行質(zhì)量

①像片重疊度：航向重疊度為75%，旁向重疊度為45%；

②像片傾角：不大于5°，最大不超過(guò)12°，出現(xiàn)超8°的片數(shù)不大于總數(shù)的10%；

③像片旋角：不大于15°，滿足像片航向和旁向重疊度的要求情況下，個(gè)別最大旋角不超過(guò)30°，同一航線上旋角超過(guò)20°像片數(shù)不超過(guò)3片，超過(guò)15°旋角的像片數(shù)不超過(guò)分區(qū)像片總數(shù)的10%，像片傾角和像片旋角不同時(shí)達(dá)到最大值；

④攝區(qū)邊界覆蓋保證：航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于兩條基線，旁向覆蓋超出攝影邊界線不少于像幅的50%；

⑤航高保持：同一航線上相鄰像片航高差不大于 30 m，最大航高與最小航高之差不大于 50 m，實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高之差不大于 50 m；

⑥漏洞補(bǔ)攝：航攝中沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)漏洞和絕對(duì)漏洞；

⑦飛行紀(jì)錄資料的填寫：飛行結(jié)束時(shí)，填寫航攝飛行紀(jì)錄表。

(2)影像質(zhì)量

①影像應(yīng)清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和，能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像；

②影像上沒(méi)有云、云影、煙、大面積反光、污點(diǎn)等缺陷；

③影像沒(méi)有因飛機(jī)地速的影響，在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移大于1個(gè)像素；

④拼接影像無(wú)明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。

3.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)

(1)飛行前準(zhǔn)備

使用地面站軟件，設(shè)計(jì)8條航線；設(shè)計(jì)航向重疊75%、旁向重疊45%，飛行高度 250 m，攝影器材為ARC524數(shù)碼航攝儀，焦距 20 mm，光圈值：f/8，ISO：800，曝光時(shí)間1/1600s，地面分辨率優(yōu)于 5 cm，按南北向平行于圖廓線直線飛行，飛行前試飛，保證飛機(jī)和航攝儀正常工作。

(2)航攝飛行

航線敷設(shè)按南北向平行于圖廓線直線飛行。起飛時(shí)間為10：15，降落時(shí)間為10：33，共飛行16分鐘，1個(gè)架次，共采集92張?jiān)颊掌芭c之一一對(duì)應(yīng)的92個(gè)POS數(shù)據(jù)。

(3)檢查漏洞補(bǔ)攝

完成測(cè)區(qū)飛行后，立即將拍攝的像片導(dǎo)出至地面站中，快速檢查分析是否存在航攝漏洞，經(jīng)檢查本次飛行無(wú)航攝漏洞，航攝數(shù)據(jù)有效。

3.4 航測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

飛機(jī)降落后，數(shù)據(jù)處理人員迅速下載影像及POS數(shù)據(jù)，將影像傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間為10：40～10：50，用時(shí)10分鐘，主要工作內(nèi)容為：進(jìn)行原始影像的預(yù)處理，POS數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

3.5 災(zāi)區(qū)影像數(shù)據(jù)處理

(1)正射影像圖初步檢測(cè)報(bào)告

10：45～11：05，用時(shí)10分鐘，利用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行快拼，生成正射影像圖初步檢測(cè)報(bào)告，效果圖沒(méi)有空白、沒(méi)有拉花，質(zhì)量合格，能夠滿足應(yīng)急救災(zāi)中心對(duì)全局影像的瀏覽，初步掌握災(zāi)害區(qū)域現(xiàn)狀，如圖2所示。

圖2 災(zāi)區(qū)正射影像初步檢測(cè)圖

(2)數(shù)字正射影像圖制作

11：05～11：40，用時(shí)35分鐘，利用Pix4Dmapper軟件，采用立體建模微分糾正法，在軟件中對(duì)原始影像勻光勻色處理后疊加測(cè)區(qū)DEM經(jīng)過(guò)數(shù)字微分糾正生成單像幅正射影像，然后對(duì)所有圖幅進(jìn)行拼接，得到整個(gè)測(cè)區(qū)正射影像圖。最后才能將質(zhì)量好、精度高的影像作為最終成果進(jìn)行提交，如圖3所示。

圖3 正射影像正式成果圖

(3)數(shù)字正射影像質(zhì)量情況

此次應(yīng)急演練最終提交的DOM成果，影像質(zhì)量清晰，層次豐富，色調(diào)柔和，地面分辨率優(yōu)于 5 cm，覆蓋面積大約為 2 km2，無(wú)漏洞，符合提交成果標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)急救災(zāi)中心快速了解受災(zāi)情況及部署救災(zāi)方案提供了可靠的影像數(shù)據(jù)。

3.6 應(yīng)急測(cè)繪演練完成工作量統(tǒng)計(jì)

(1)無(wú)人機(jī)航空攝影，共獲得原始影像92張(地面分辨率優(yōu)于 0.05 m)；

(2)正射影像圖初步檢測(cè)報(bào)告；

(3)正射影像圖1幅。

3.7 應(yīng)急測(cè)繪演練結(jié)束

11：45，無(wú)人機(jī)拍攝的災(zāi)區(qū)正射影像圖被第一時(shí)間提交給應(yīng)急指揮部。隨后，協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)人宣布終止應(yīng)急響應(yīng)，標(biāo)志著本次演練圓滿結(jié)束。本次應(yīng)急測(cè)繪演練全過(guò)程時(shí)間點(diǎn)如表2所示。

應(yīng)急演練全過(guò)程時(shí)間點(diǎn) 表2

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)這次應(yīng)急演練可以看出，從接到應(yīng)急任務(wù)，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，無(wú)人機(jī)起飛到獲取DOM，搜集災(zāi)區(qū)舊影像及地形圖，再到終止應(yīng)急響應(yīng)，應(yīng)急演練結(jié)束，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急小組僅花費(fèi)了2小時(shí)45分鐘，時(shí)間短，收獲大。多旋翼無(wú)人機(jī)僅飛行了一個(gè)架次便獲取了災(zāi)區(qū)最新的POS及照片數(shù)據(jù)，為快速生成DOM數(shù)據(jù)提供了有效的時(shí)間。正如“時(shí)間就是金錢，效率就是生命”，應(yīng)急測(cè)繪搶的是時(shí)間，救的是生命，就是要在第一時(shí)間獲取最新地理信息數(shù)據(jù)，了解險(xiǎn)情，為科學(xué)的救災(zāi)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

測(cè)繪應(yīng)急工作是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要多個(gè)部門配合，只有在平時(shí)多進(jìn)行演練工作，多個(gè)單位部門密切配合，積累經(jīng)驗(yàn)，才能在險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)不亂陣腳，在下達(dá)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，多部門程序化、系統(tǒng)化地密切配合，第一時(shí)間獲取已有地形圖和航空影像以及災(zāi)區(qū)最新正射影像數(shù)據(jù)，為科學(xué)有效地?fù)岆U(xiǎn)救災(zāi)，挽救人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)提供高質(zhì)量、高精度的地理信息數(shù)據(jù)。