自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)

王長虹， 陳 勝， 黃 挺

(湖南省第三測繪院，湖南 長沙 410118)

自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)比傳統(tǒng)航空攝影測繪技術(shù)有著更高性能表現(xiàn)，在面對外界各類干擾因素時(shí)，也能夠表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，使航空攝影測繪技術(shù)的應(yīng)用范圍增大，可廣泛應(yīng)用于如暴風(fēng)、海洋資源等復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行測繪。

1 自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)組成

自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)由6大部分組成。

(1)無人駕駛飛艇：主要功能在于搭載攝影設(shè)備、依照指令進(jìn)行飛行移動(dòng)。

(2)飛行控制系統(tǒng)：屬于整體系統(tǒng)架構(gòu)中，是控制無人駕駛飛艇的程控系統(tǒng)之一。

(3)遙測遙控系統(tǒng)：屬于整體系統(tǒng)架構(gòu)，是控制無人駕駛飛艇的遙控系統(tǒng)之一。

(4)遙感設(shè)備：遙測遙控系統(tǒng)的主要設(shè)備。

(5)自控制系統(tǒng)：屬于整體系統(tǒng)架構(gòu)，是控制無人駕駛飛艇的自控系統(tǒng)之一。

(6)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：負(fù)責(zé)對外界收集的各類信息進(jìn)行處理，確保無人駕駛飛艇飛行穩(wěn)定與攝影圖像的精確性。

通過上述架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)3種自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)的控制模式，即程控、遙控、自控，有較好的可靠性、控制精度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程化的目標(biāo)，圖1為無人飛艇航測例圖。

圖1 無人飛艇航測例圖

2 自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

2.1 雙軸穩(wěn)定平臺

無人飛艇的規(guī)模較大、自重較大，如果直接將其投放在高空環(huán)境中，飛艇很容易受到高空氣流的影響，尤其在大風(fēng)天氣，飛艇飛行無法保持穩(wěn)定。為了避免外界因素的干擾，自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)采用了雙軸穩(wěn)定平臺。

該平臺主要安裝于飛艇下部，由整體支架、遙感設(shè)備與三向軸三部分組成，結(jié)構(gòu)連接主要采用電機(jī)齒輪，當(dāng)飛艇偏轉(zhuǎn)或晃動(dòng)時(shí)，齒輪可保障攝影設(shè)備的穩(wěn)定。具體原理為：當(dāng)飛艇發(fā)生偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象時(shí)，遙感設(shè)備可以將偏轉(zhuǎn)角度形成電信號，通過電信號的傳輸驅(qū)動(dòng)三軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，即可在偏轉(zhuǎn)之下保持?jǐn)z影設(shè)備的水平狀態(tài)，保障攝影圖像的清晰穩(wěn)定。根據(jù)測試，目前雙軸穩(wěn)定平臺可以在4級風(fēng)力的情況下保障攝影設(shè)備的穩(wěn)定，能夠滿足航空攝影測量的要求。

2.2 雙拼相機(jī)

為了保障攝影圖像的清晰，在自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)中，需要高程精度較高、處理時(shí)間短、基線長的攝影設(shè)備，雖然目前市面上許多攝影設(shè)備能滿足這些要求，但存在體積大、重量重、易受損等問題，不適于飛行平臺特別是無人飛艇的要求。

雙拼相機(jī)是在滿足上述系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，對一般設(shè)備缺陷進(jìn)行改善而開發(fā)的一種攝影設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，雙拼相機(jī)除了改善了上述傳統(tǒng)攝影設(shè)備的缺陷，還具有成像像幅大、成像數(shù)量少、自重較輕等諸多優(yōu)勢。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，雙拼相機(jī)的低空攝影圖像精度可達(dá)1∶1000，能夠滿足現(xiàn)代測繪工作的要求。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇主要技術(shù)參數(shù)

表2 傳感器性能參數(shù)表

3 自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 相機(jī)檢校技術(shù)

雙拼相機(jī)屬于非量測數(shù)碼相機(jī)，此類相機(jī)的內(nèi)部方位元素?zé)o法被預(yù)測，容易造成拍攝圖像畸變，所以必須先對相機(jī)進(jìn)行檢校，通過檢校標(biāo)定出數(shù)碼相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)值，保障攝影的精確性。非量測數(shù)碼檢校中主要采用光學(xué)畸變系數(shù)調(diào)整技術(shù)改變相機(jī)內(nèi)部的光學(xué)元素。

但由于不同型號的相機(jī)在設(shè)計(jì)與制造工藝上的不同，所以在采用光學(xué)畸變系數(shù)調(diào)整技術(shù)進(jìn)行檢校時(shí)，不可以依照統(tǒng)一參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要對相機(jī)間的相對外方位元素進(jìn)行確認(rèn)，并在之后的圖像處理中，將元素作為初始參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，最終得出對于各型號相機(jī)的光學(xué)元素調(diào)整指標(biāo)。此外，相機(jī)間的相對外方位元素的確認(rèn)可以利用空間后方交會(huì)原理來求取。具體操作上，首先將雙拼相機(jī)固定后進(jìn)行拍攝，之后結(jié)合原理計(jì)算雙向相機(jī)拍攝時(shí)的外方位元素，即可得出雙拼相機(jī)的對虛平面坐標(biāo)系的相對外方位元素。

3.2 圖像后期處理技術(shù)

圖像后期處理技術(shù)主要包括圖像拼接、角度調(diào)節(jié)兩種。

(1)雙拼相機(jī)圖像拼接技術(shù)。雙拼相機(jī)的圖像拼接處理需要根據(jù)相應(yīng)原則進(jìn)行，首先，要確認(rèn)單體相機(jī)的畸變差是否改正，然后將傾斜圖像調(diào)整為水平圖像，對水平圖像重疊區(qū)域內(nèi)的影像進(jìn)行特征匹配得到同名點(diǎn)。其次，利用同名點(diǎn)對各子圖像進(jìn)行內(nèi)部相對定向處理，通過計(jì)算得出子圖像中的相對外方位元素，再利用這些外方位元素將子圖像投影至虛擬水平面上，最終即可完成子圖像拼接。此外，因?yàn)槠唇涌赡軙?huì)造成圖像分辨率下降，所以在拼接處理時(shí)，需要保障虛擬距離與實(shí)際主距相同。

(2)雙拼相機(jī)角度調(diào)節(jié)技術(shù)。傳統(tǒng)的航空測繪工作中時(shí)常因?yàn)轱L(fēng)力、氣流等因素導(dǎo)致航拍圖像出現(xiàn)質(zhì)量差、數(shù)量多、角度傾斜幅度較大、圖像重疊不規(guī)則等問題，導(dǎo)致圖像角度調(diào)節(jié)工作的難度較大。為了改善傳統(tǒng)圖像角度調(diào)節(jié)工作的不足，研發(fā)了Map-AT軟件，該軟件結(jié)合了多種圖像角度調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，能夠有效對面陣航攝膠片相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、組合寬角相機(jī)的圖像進(jìn)行處理。在實(shí)際應(yīng)用中，該軟件具有高效率、自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)處理工作量大的優(yōu)點(diǎn)。多項(xiàng)案例證實(shí)，通過該軟件處理后，傾斜度較大、重疊不規(guī)則圖像均被修正為水平圖像。

4 實(shí)例驗(yàn)證

為了證實(shí)自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)的有效性，本文結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析。在本次測繪區(qū)域內(nèi)，西面存在一座高度為100 m左右的山坡，東、南、北三面地勢平緩，整體區(qū)域中存在大量建筑物，高度約為20 m，在此基礎(chǔ)上采用無人飛艇航測系統(tǒng)進(jìn)行拍攝，拍攝依照《城市測量規(guī)范》(6CJJ8—99)進(jìn)行。

應(yīng)用自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無人飛艇航測系統(tǒng)，航拍圖像的分辨率較高，能夠滿足現(xiàn)代測繪工作的要求，并利用圖像后期處理技術(shù)，圖像沒有出現(xiàn)不規(guī)則、大傾角等問題，說明應(yīng)用該系統(tǒng)后，航拍圖像的精確度得到了提高。