喀斯特高原山區(qū)無人機低空遙感影像數據的獲取與處理

鄒長慧，周忠發(fā)

(1．貴州師范大學中國南方喀斯特研究院，貴州貴陽550001;2．貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州貴陽550001)

一、引 言

貴州處于中國西南喀斯特的腹心地帶，地處亞熱帶地區(qū)，屬巖溶化的高原山區(qū)，喀斯特面積達10．91 km2，占全省面積土地面積的73．8%，受亞熱帶季風氣候的影響，降水多且集中于夏季，境內各地陰天日數一般超過150天，常年相對濕度在70%以上，是一個兼具喀斯特地貌和多云雨季風氣候的特殊地區(qū)，因此該區(qū)獲取優(yōu)質的高時間、空間分辨率衛(wèi)星遙感數據十分困難[1]。無人機低空航拍遙感系統(tǒng)作為一項空間數據獲取的重要手段，具有成本低、機動靈活、續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測等特點，是獲取高分辨率遙感數據的重要工具之一。近年來，無人機遙感監(jiān)測技術發(fā)展迅速，成為國內外研究開發(fā)的熱點，逐步應用到社會各領域。但是在高分辨率影像資料獲取十分困難的貴州高原山區(qū)，無人機低空航拍遙感系統(tǒng)的相關研究卻顯得十分薄弱。在貴州喀斯特高原山區(qū)，就無人機采集影像的方式及影像處理過程進行探討，建立一套適宜于該區(qū)域的無人機航拍相關技術顯得尤為迫切與重要。

二、系統(tǒng)組成與作業(yè)流程

1．無人機低空航拍遙感系統(tǒng)組成

研究和試驗采用的無人機低空航拍遙感系統(tǒng)充分考慮了喀斯特高原山區(qū)特殊生態(tài)環(huán)境因素，該系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、作業(yè)軟件系統(tǒng)和影像處理軟件系統(tǒng)、無線電遙控系統(tǒng)幾部分組成(如圖1所示)。其主要性能指標如下：最大飛行高度為海拔4500 m，最大海平面爬升率5 m/s，巡航空速為115 km/h，最大過載為3．5 G，續(xù)航時間為 1．8 h，巡航抗風能力 13 m/s，起降抗風能力為5級，控制半徑100 km。無人機機身為金屬、木材、碳纖維和玻璃鋼等多種材料制作而成。機身備有獨立的電池艙，外形為拉進式三點部局，與機翼連接用碳纖維圓管插接，發(fā)動機位于機身前端。體現出質量輕、工業(yè)輕度高等特性。無人機起落裝置是專為適合貴州喀斯特高原山區(qū)惡劣野外作業(yè)條件而設計的，它的特點是重量輕、強度大、減振好、拆卸便捷，在安裝機輪的情況下可以滑跑降落，在沒有起降條件的場地可以充分利用起落架高度來降落，以減少滑行距離[2]。

圖1 無人機低空航拍遙感平臺框圖

2．喀斯特高原山區(qū)無人機低空航拍作業(yè)流程

(1)適航條件分析

在確定航拍任務后，需首先針對航拍區(qū)域進行定點勘察，確定航拍區(qū)域范圍，并充分收集航拍區(qū)域的有關地形圖、影像等資料數據，了解航拍地區(qū)的地形地貌、氣候條件及附近有無重要設施(如機場、國家重大基礎設施、軍事管理區(qū)等)，并進行分析研究，確定航拍區(qū)域的飛行條件，以便制定翔實的航拍實施方案。航拍前需確定地面分辨率，并根據喀斯特高原山區(qū)特殊的地形地貌不斷調整設計合適的航線重疊率。

(2)起降場地選擇

因為貴州喀斯特高原山區(qū)特殊的地形地貌，起飛和降落場地一般選擇在同一場地，以便于發(fā)生緊急情況時溝通、協調，起降場地周圍不能有電信等大功率無線電發(fā)射設備，以避免影響無人機遙控器和地面監(jiān)控站通信。起飛降落場地需要選在地面平坦、開闊的區(qū)域，并且降落方向要求200 m以內基本無突出障礙物、高壓電線、高大樹木以及無線電設施，以避免與無人機發(fā)生相撞事故，如果有風，選擇逆風起降，起降跑道長度一般要求在150 m以上，且需筆直平整，如果實在找不到平坦開闊的降落場地，可以充分利用無人機本身的起落架高度，考慮在航拍區(qū)域內較為平坦、開闊的稻田等農用地降落。

(3)傳感器參數定位

試驗用無人機傳感器采用目前國內無人機航拍使用最為頻繁的Canon EOS 5D MarkⅡ(36 mm×24mm)數碼單反高分辨率相機，其主要參數為：傳感器類型為CMOS，快門速度為1/8000 s，像素為5616×3744，像元大小6．41 um，最大有效像素2110萬。由于相機的精準檢校對于航拍影像加工意義重大，航拍時采用的相機均實行了嚴格的相機檢校制度和使用制度，以保證無人機遙感影像數據的加工精度，由于相機檢校工作的專業(yè)性和特殊性，檢校工作委托專業(yè)相機檢校機構協助完成。

(4)飛行參數設置

航拍試驗采用專業(yè)設置的航線規(guī)劃軟件進行航線規(guī)劃設計，航線規(guī)劃充分考慮貴州山區(qū)地形特點，天氣條件，設計合理的拐彎半徑與飛行速度，利用地面控制系統(tǒng)軟件在無人機飛行前進行任務航路規(guī)劃，在無人機飛行過程中顯示飛行區(qū)域的電子地圖、航跡、飛行參數、飛機的姿態(tài)航向參數。飛行中所有飛行參數和導航數據可實時下傳并記錄。操作者可通過航跡規(guī)劃和路徑調整進行各種任務的控制執(zhí)行。地面控制系統(tǒng)的人機界面讓操作者可方便的修改航路點、目標航向并監(jiān)視飛行狀態(tài)。

(5)無人機飛行操作

在經過上述步驟準備后，接著由無人機操控手與地面站工作人員共同完成無人機的飛行。操控手負責無人機的起飛與降落，在無人機起飛至300 m高空，飛行姿態(tài)平穩(wěn)時，切換至無人機自駕模式，由地面站工作人員負責按預先規(guī)劃航線飛行，進入規(guī)劃航線切入點，發(fā)送指令開始按規(guī)劃航線進行飛行航拍。當完成航線飛行后，利用預設航線控制無人機盤旋逐步降高至300 m高空時，切換至由無人機操控手利用遙感器進行控制，并將無人機逆風降落在預定降落場地，至此航拍工作完成(如圖2所示)。

圖2 航拍影像數據處理流程圖

三、無人機遙感影像數據與處理

采用上述無人機作業(yè)流程，于2010年9月到2011年10月間，針對貴州喀斯特高原山區(qū)日益嚴重的石漠化問題，針對不同地形地貌，對石漠化嚴重地區(qū)及石漠化綜合治理區(qū)進行了多次航拍試驗，獲取了貴州大方縣桶井示范區(qū)、貴州石阡縣湯山鎮(zhèn)、貴州三都水族自治縣三合鎮(zhèn)、貴州省平塘縣平湖鎮(zhèn)的數千張遙感影像數據，并對影像進行了后期處理。

上述影像處理主要依據航拍照任務完成后的航片資料、相機檢校參數文件和像控文件等外業(yè)成果進行相對定向、利用外控糾正提高精度、絕對定向等工作，生成DEM、DOM正射影像，然后將影像拼接、調色。其具體流程為：首先獲取航飛的原始相片、相機參數、像控資料，并檢查這些數據是否滿足相應要求。接著根據具體飛行任務建立具體的航拍飛行數據處理工程，并將航拍時傳感器參數輸入，將其轉換為影像處理流程中所需要的數據格式，利用MAPAT專業(yè)航攝處理軟件剔除粗差，得到較準確的空三結果，并加入外業(yè)像控，檢驗并提高DEM、DOM的精度，然后進行絕對定向平差，將整個航拍區(qū)域統(tǒng)一到地面坐標系內。最后將影像糾正生成正射影像，進行拼接、調色、分幅，生成高分辨率的影像產品[3-4](如圖3、圖4所示)。

圖3 生成的正射影像圖(石漠化現狀調查區(qū))

圖4 生成的正射影像圖(石漠化綜合治理區(qū))

四、航攝質量分析

無人機低空遙感影像獲取方式是基于自動定點拍攝和遙感影像實時下傳的，得到的數據是否滿足航攝測量要求，與無人機航拍時的航向重疊率、旁向重疊率、航線彎曲度、像片旋偏角以及航高差密切相關。按照航空遙感的一般要求，航帶彎曲度不超過3%，像片旋偏角小于6°，拍攝時的航向重疊率為60%，最小不得小于 53%，旁向重疊率為30%，最小不得小于15%。在貴州喀斯特山區(qū)進行的4次試驗飛行中，考慮到該區(qū)的天氣因素及無人機性能指標因素對航拍圖片拼接的影響，設計了航向重疊率為75%，旁向重疊率為45%[5-6]，航拍時航帶彎曲度最大值只有1．195，像片旋偏角都在5°以內，試驗飛行時的航高差均未超過15 m，飛行平穩(wěn)度較高，試驗證明這一設定比較適合貴州高原山區(qū)的航拍作業(yè)，基于這一設定條件下拍攝的影像經檢驗，其航帶直線型、像片的重疊度與旋偏角以及航高差均能滿足攝影測量要求與影像質量要求。通過多次試驗飛行，在相機焦距為24mm，假設航線數為2，每條航線數照片為8張的情況下，對無人機航拍時的作業(yè)高度與影像質量關系作了進一步探討，其關系如表1所示。

表1 無人機作業(yè)高度與影像質量關系表

五、結 論

通過幾次在貴州喀斯特高原山區(qū)不同地形地貌的試驗飛行，總結了一些無人機遙感平臺在該區(qū)應用中存在的問題，并提出了一些解決方法。

1)以貴州為典型代表的喀斯特高原山區(qū)，山高谷深、溝壑縱橫、地形起伏較大，且多云霧天氣，常規(guī)的航空攝影很難開展航拍工作，試驗結果表明，無人機低空遙感系統(tǒng)系統(tǒng)將是該區(qū)域獲取高分辨率影像的最為有效的方式與手段，必將成為喀斯特高原山區(qū)對地觀測體系中不可或缺的重要組成部分。

2)貴州喀斯特高原山區(qū)很難找到理想的起降場地，具有彈射起飛和傘降功能的無人機遙感平臺將是首選，由于該區(qū)地形起伏高差太大，當需要分次分區(qū)拍攝時，宜采用空中改變航高與地面監(jiān)測站高度的方法，以減低無人機起降帶來的風險。

3)要使無人機在貴州喀斯特高原山區(qū)成為理想的遙感平臺，遙感傳感器技術應根據不同類型的遙感任務，致力開發(fā)更多相應的機載遙感設備，多光譜成像儀、激光掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達等，選用的遙感傳感器應具備數字化、體積小、重量輕、精度高、存儲量大、性能優(yōu)異等特點。

4)4次試驗飛行所采用的無人機遙感系統(tǒng)平臺、航拍技術以及影像處理流程是切實可行的，可廣泛應用于喀斯特高原山區(qū)的數字化農業(yè)、國土資源調查、生態(tài)環(huán)境與災害監(jiān)測、交通管理、數字化林業(yè)等眾多領域。

[1]劉夢琦，周忠發(fā)，李波．喀斯特高原山區(qū)IRS-P6影像最佳融合方法選擇研究[J]．中國巖溶，2009，28(4)：419-425．

[2]鄒長慧，謝曉堯，周忠發(fā)．無人機低空航拍遙感系統(tǒng)在貴州高原山區(qū)的應用前景探討[J]．貴州師范大學學報，2011，29(2)：24-28．

[3]楊志華，肖繼東，張旭，等．微型無人飛機遙感影像后期處理技術方法研究[J]．沙漠與綠洲氣象，2008，2(5)：49-51．

[4]周曉敏，趙力彬，張新利．低空無人機影像處理技術及方法探討[J]．測繪與空間地理信息，2012，35(2)：182-184．

[5]洪宇，龔建華，胡社榮，等．無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J]．遙感技術與應用，2008，23(4)：463-465．

[6]胡開全，張俊前．固定翼無人機低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域影像獲取研究[J]．北京測繪，2011(3)：35-37．