無控制點無人機影像DOM快速制作

劉 榮

（安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

近年來，無人機攝影傳感器的性能不斷提高，無控制點無人機低空攝影測量得以實現(xiàn)，可以彌補傳統(tǒng)測繪方法的弊端，增加野外測繪實效性。本文論述了如何運用科學高效的無人機航測遙感系統(tǒng)，借助攝影測量軟件，在確保符合DOM質量要求下高效制作正攝影像圖。

1 基于無控制點數(shù)據(jù)的無人機影像DOM快速制作流程

無人機就是一類無人駕駛的飛行器，飛行控制系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)二者都是其自帶的，有著多樣化的優(yōu)勢特征：較低的飛行成本，較短的外業(yè)周期，較高的分辨率等，不斷應用到不同行業(yè)以及領域中。無人機獲取的影像特別多，影像的像幅并不大，飛行軌跡并不規(guī)則，會出現(xiàn)偏離航線的情況，導致不同影像之間的重疊率存在較大的差異性。與此同時，非量測型的普通數(shù)碼相機被應用其中，無人機的飛行姿態(tài)不具有較高的穩(wěn)定性，鏡頭有著較大的畸變，導致影像內部的幾何關系比穩(wěn)定系數(shù)不高，傳統(tǒng)測繪流程以及要點很難滿足現(xiàn)代化無人機影像處理的具體要求。在此基礎上，應急中必須在盡可能短的時間內獲取高精度的測區(qū)正射影像、準正射影像，需要在綜合把握基礎上從測區(qū)各方面實際出發(fā)，明確無人機影像DOM快速制作的整個流程，確保無人機安全、穩(wěn)定飛行的同時快速、精準獲取對應的影像圖，便于在實際應用中發(fā)揮效能作用。具體來說，測量人員要通過多樣化的路徑，在線上、線下二者銜接中科學收集測區(qū)各方面信息資料，根據(jù)影像圖制作的具體要求，選擇適宜的機型，在飛行檢查的基礎上進行規(guī)范化航攝設計，再借助無人機功能作用，實現(xiàn)基于低空的數(shù)碼航拍，快速獲取測區(qū)的原始影像，定向計算的同時構建可行的三維密集點云，生成Mesh網(wǎng)模型，現(xiàn)場制作DEM及DOM影像圖，仔細檢查相關資料確認正確后，可提交成果。

2 基于無控制點數(shù)據(jù)的無人機外業(yè)航拍

2.1 設備參數(shù)

設備參數(shù)、航攝設計二者是基于無控制點數(shù)據(jù)的無人機外業(yè)航拍的關鍵所在，是保證無人機影像DOM快速制作質量的必要基礎。以“測圖鷹X100航測遙感無人機系統(tǒng)”為例，由多個元素組成，比如，電動的無人機飛行平臺、小型的數(shù)碼航攝儀器，各具特征的同時發(fā)揮著多樣化功能作用，在細化把握基礎上明確無人機遙感傳感器的性能指標參數(shù)。同時，測圖鷹X100航測遙感無人機系統(tǒng)的傳感器類型為CCD，相機焦距：35 mm；有效像素：1 000萬像素；單張片的大小：3 648×2 736像素；尺寸：1/1.7英寸。相應地，表1是測圖鷹X100無人機遙感平臺的性能指標參數(shù)情況。

表1 測圖鷹X100無人機遙感平臺的性能指標參數(shù)表

2.2 航攝設計

2.2.1 明確航高、航飛

在航飛之前，測量人員要在應用現(xiàn)代化技術以及工具基礎上高效勘查測區(qū)現(xiàn)場，全面、仔細檢查現(xiàn)場基準面，明確無人機起飛、降落的區(qū)域，現(xiàn)場沒有各類障礙物的同時從測區(qū)構筑物、人工設施等方面入手，確定好起飛、降落的具體位置。在此基礎上，測量人員從高精度測量層面入手，明確無人機作用下的成圖比例尺，即1：500，地面上的分辨率為0.067 313 6 m/像素。測量人員要針對無人機飛行區(qū)域的地勢情況，結合我國在低空數(shù)字航空攝影方面提出的具體化要求明確飛行過程中的航高，確定為220 m，航向、旁向二者的重疊率都為80%，航帶為8條，航線間的距離為74 m。同時，測量人員要把控好無人機飛行的風力，比如，如果測區(qū)現(xiàn)場的風力不超過兩級，要采用側風飛行的方法，堅持逆風起飛以及降落的原則，在航高、航飛確定基礎上明確飛行面積，飛行一個架次，飛行面積為0.467 5 km2，獲取的航飛影像不止一張，有120張，容量大小為3.5 GB。低空飛行任務結束以后，導出對應的POS數(shù)據(jù)、照片，對航向與旁向重疊的情況，航線的彎曲程度、航線高差、航拍的漏洞等進行系統(tǒng)化檢查，在去除隱患問題基礎上確保各方面指標和實際情況吻合，確保有著清晰的影像，色調、反差、層次等適中。

2.2.2 無人機的姿態(tài)角

利用像空間坐標系相對于地面輔助坐標系的轉動關系表示無人空中飛行的姿態(tài)角，假設兩個坐標體系的原點在相同的位置，但方向不相同，在連續(xù)轉動基礎上讓二者重合，每次轉動角便為姿態(tài)角，比如，航偏角、俯仰角等。坐標原點為攝影中心，沿航線前進的切線指向機頭方向為X軸，垂直航線面的指向機身右方為Y軸，垂直XY平面指向機身上方為Z軸，無人機飛行中的姿態(tài)有三種情況。一是：繞Y軸旋轉的姿態(tài)角屬于橫滾角，即φ，機體向右滾動為正，左滾動為負；二是：繞X軸旋轉的姿態(tài)角屬于俯仰角，即ω，X軸正半軸在坐標原點的水平上方，表明俯仰角為正；三是：繞Z軸旋轉的姿態(tài)角屬于航偏角，即κ，機頭左偏航為負，右偏航為正。同時，在表示姿態(tài)過程中，如果姿態(tài)角旋轉順序不同，呈現(xiàn)的姿態(tài)方位也不會相同，可以利用矩陣表示每次轉動，在三個姿態(tài)角相互作用中可以形成對應的旋轉矩陣，總旋轉矩陣是單獨旋轉矩陣在一定旋轉順序作用下相乘構成的，實現(xiàn)了無人機低空飛行過程中像空間與地面輔助坐標系有效轉換，保證無人機作用下的姿態(tài)角科學化，便于從根本上優(yōu)化無人機作用下的航攝設計各個環(huán)節(jié)。

3 影像定向、點云提取與多邊形網(wǎng)絡模型構建

從某種層面來說，在無人機低空飛行中，影像拍攝的具體位置和設計的航線、飛行的姿態(tài)等是有機聯(lián)系的。測量人員要立足現(xiàn)代化的攝影、測量的具體要求、原理等，定向計算無人機飛行中產生的120張影像，明確影像的具體位置、姿態(tài)角，借助Agisoft photoscan軟件，在多視圖三維構建基礎上準確計算影像的相關參數(shù)。同時，以參數(shù)為中心，明確對應的航線，每張航攝影像的具體航攝位置，快速、準確定位航線拍攝的具體位置，深化整合獲取的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，提取基于坐標信息數(shù)據(jù)，和一系列三維密集點云信息數(shù)據(jù)進行規(guī)范化匹配，每平方米的點密度為13.793 5點。隨后，圍繞帶坐標信息的三維密集點云數(shù)據(jù)，快速重構目標的多邊形網(wǎng)格模型，重構各類數(shù)據(jù)，比如，線、體、空間，展示航攝區(qū)域事物真實的形態(tài)特性，創(chuàng)建不規(guī)則形體以及容易觀察的著色圖像，借助數(shù)碼影像，呈現(xiàn)精細化的彩色紋理。

4 快速制作DEM與DOM，檢查影像圖精準度

無人機在多層面功能作用發(fā)揮中數(shù)字化的DEM高程模型順利生成，生成像素的分辨率為0.272 7 m，能夠客觀呈現(xiàn)測區(qū)地面高程情況，為測區(qū)地面相關工作的高效展開提供重要的參考數(shù)據(jù)，綜合剖析測區(qū)的地形、坡度、地貌等。在此基礎上，無人機快速制作的DOM影像圖比例尺為1：500，直觀、形象、生動，有著較高的精準度，可以作用到測區(qū)自然資源、經(jīng)濟發(fā)展等層面，高效開展測區(qū)的基礎設施建設、防災減災等工作。在此過程中，無人機快速制作下的DOM影像質量會受到多方面因素影響，要從野外無控制點數(shù)據(jù)獲取層面入手，根據(jù)無人機快速制作影像圖的具體要求，從不同層面仔細檢查DOM影像圖的精準程度，看其是否與測區(qū)各方面實際情況吻合。在檢查精準度過程中，測量人員可以將影像疊加這一檢查方法科學應用其中，將已有的矢量文件以及正射影像圖進行合理化套合疊加檢查，深入把握制作的DOM影像圖，在運用技術手段過程中進行針對性處理，促使作用到實踐中的DOM影像圖有著較高的分辨率，亮度、對比度且都在規(guī)定范圍內，不存在紋理斷裂情況，也沒有重影出現(xiàn)，包括云影、噪聲這些缺陷，避免野外作業(yè)中重復拍攝，提高野外測量的質量以及效益。

5 結語

總而言之，無人機優(yōu)勢特征明顯，已被廣泛應用到民用、軍事、搶險救災、測繪測量、城市管理等領域，通過無人機影像DOM快速制作，對影像進行自動化編輯、加密，在無控制點數(shù)據(jù)采集、獲取過程中縮短處理數(shù)據(jù)的周期，提升數(shù)據(jù)的真實性、全面性，實現(xiàn)高質量的外業(yè)測繪，以最小化的成本實現(xiàn)最大化的經(jīng)濟效益。