低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在正射影像制作中的應(yīng)用

魏 涌 畢 凱

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在正射影像制作中的應(yīng)用

魏 涌1畢 凱2

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

介紹應(yīng)用低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行城市數(shù)字正射影像制作的流程和方法，研究航空攝影、像控測(cè)量及DOM制作等方面的技術(shù)特點(diǎn)。

低空無(wú)人機(jī) 航空攝影 影像處理 正射影像

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，低空無(wú)人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，成為近幾年興起的新的航空遙感手段。相對(duì)于傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)和影像獲取手段而言，低空無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)具有體積小巧、機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，使得該系統(tǒng)在小區(qū)域測(cè)繪方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，研究利用無(wú)人機(jī)獲取的航空影像進(jìn)行正射影像制作，對(duì)于困難地區(qū)影像獲取、鐵路三維空間選線、數(shù)字城市建設(shè)方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 低空無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)組成

低空無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傳感器、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及地面保障系統(tǒng)五部分組成。

飛行平臺(tái)由機(jī)體、操控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)組成。傳感器為經(jīng)過(guò)精確檢校后的小型數(shù)碼相機(jī)。飛控系統(tǒng)由機(jī)載GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)、氣壓傳感器和飛行控制系統(tǒng)等部件組成，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)按設(shè)計(jì)航線自主飛行。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括地面工作站、監(jiān)控軟件系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和維護(hù)系統(tǒng)。地面保障系統(tǒng)主要由運(yùn)輸車和后勤安全保障車組成。

2 無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)

2.1 航空攝影

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)一般執(zhí)行小區(qū)域的數(shù)碼航攝，在航線設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮地球曲率變化，可依照GOOGLE EARTH三維系統(tǒng)，根據(jù)攝區(qū)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高程，求取攝區(qū)基準(zhǔn)面高程，絕對(duì)航高的計(jì)算公式為

無(wú)人機(jī)數(shù)碼航攝一般不需要進(jìn)行攝影分區(qū)，只需按攝區(qū)的4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。但是鐵路航攝范圍一般沿設(shè)計(jì)線路走向呈帶狀分布，如簡(jiǎn)單的按照四個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，會(huì)造成很大的浪費(fèi)，應(yīng)根據(jù)成圖需要確定攝影邊界，劃定攝影分區(qū)，對(duì)每個(gè)分區(qū)單獨(dú)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)(如圖1所示)。

圖1 攝影分區(qū)示意

航線設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)初步設(shè)計(jì)情況進(jìn)行檢查，主要檢查內(nèi)容包含攝區(qū)高差與設(shè)計(jì)航高的關(guān)系、攝區(qū)最低點(diǎn)的地面分辨率和最高點(diǎn)的重疊度。每個(gè)攝區(qū)高差應(yīng)小于1/4航高，攝區(qū)最高點(diǎn)重疊度(即攝區(qū)最小重疊度)和最低處地面分辨率的計(jì)算公式為

攝區(qū)最小地面分辨率=

單像元大小=地面分辨率×

攝區(qū)最高點(diǎn)重疊度=

全部檢查工作完成后即可開(kāi)展航空攝影，獲取數(shù)字影像數(shù)據(jù)。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的像控測(cè)量工作在總體實(shí)施流程、基礎(chǔ)控制點(diǎn)測(cè)量、像片控制點(diǎn)測(cè)量的刺點(diǎn)與整飾、點(diǎn)之記的制作等方面與傳統(tǒng)航空攝影一致。但在區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案上與傳統(tǒng)航攝有一定的差別。

區(qū)域網(wǎng)的劃分依據(jù)成圖比例尺、地面分辨率、測(cè)區(qū)地形特點(diǎn)、攝區(qū)的實(shí)際劃分、圖幅分布等情況全面考慮，根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)實(shí)施方案。區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點(diǎn)之間的跨度以能夠滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則，主要依據(jù)成圖精度、航攝資料的有關(guān)參數(shù)及對(duì)系統(tǒng)誤差的處理等多因素確定。

無(wú)人機(jī)像幅小、基線短、像對(duì)多，區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)參照以下方案，即航向相鄰平面控制點(diǎn)間隔基線數(shù)參照如下估算

(1)

(2)

式中ms——連接點(diǎn)(空三加密點(diǎn))的平面中誤差/mm；

mh——連接點(diǎn)(空三加密點(diǎn))的高程中誤差/m；

K——像片放大成圖的倍數(shù)；

H——相對(duì)航高/m；

b——像片基線長(zhǎng)度/mm；

mq——視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差/mm；

n——航線方向相鄰平高控制點(diǎn)的間隔基線數(shù)。

公式中所涉及的參數(shù)由所采用相機(jī)、地面分辨率、成圖比例尺等參數(shù)確定。

旁向相鄰平面控制點(diǎn)的航線跨度應(yīng)不超過(guò)表1的規(guī)定。

表1 旁向相鄰平面控制點(diǎn)的航線跨度

無(wú)人機(jī)航攝獲取的影像相幅小、相片數(shù)多，應(yīng)進(jìn)行快速拼圖，利用簡(jiǎn)單鑲嵌的攝區(qū)影像圖查看攝區(qū)大致情況，選取合乎要求的控制點(diǎn)，并在整體影像圖上規(guī)劃好測(cè)量控制點(diǎn)的行進(jìn)路線，保證控制點(diǎn)測(cè)量工作順利進(jìn)行。

2.3 正射影像制作

正射影像制作流程如圖2所示，主要流程包含空三加密、DEM制作、元數(shù)據(jù)制作和DOM制作等內(nèi)容。

(1)空三加密

首先需要利用相機(jī)文件進(jìn)行影像的畸變差校正，校正完成后建立影像金字塔和索引文件，后續(xù)處理模式和傳統(tǒng)方法一致，采用自動(dòng)相對(duì)定向，并輔以人工交互量測(cè)方法，按流程加入像控點(diǎn)成果，完成測(cè)區(qū)的空三加密。

(2)DEM制作

利用空三加密成果生成密度匹配點(diǎn)，濾除粗差點(diǎn)后，對(duì)特殊地形人工采集特征點(diǎn)線，構(gòu)建三角網(wǎng)，獲取單模型DEM數(shù)據(jù)，以測(cè)區(qū)為單位鑲嵌模型DEM數(shù)據(jù)并內(nèi)插格網(wǎng)DEM。

(3)DOM制作

基于空三加密和DEM成果進(jìn)行DOM單片糾正，并進(jìn)行勻光勻色處理、接邊、影像鑲嵌與分幅裁切，生成DOM。元數(shù)據(jù)的制作主要根據(jù)分幅DOM的特點(diǎn)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，進(jìn)行名稱、屬性、精度等信息的錄入。

3 技術(shù)探討

通過(guò)低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)對(duì)某地區(qū)約50 km2(按1∶2 000分幅共70幅)進(jìn)行了正射影像制作，其相對(duì)定向中誤差為4 μm(像元大小為6.4 μm)；加密點(diǎn)中誤差平面為0.5 m，高程為0.5 m； DOM檢測(cè)點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差為0.63 m，滿足正射影像制作的要求，精度統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 DOM成果精度檢測(cè)

(1)低空無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性易受氣流影響，為保證航攝影像不出現(xiàn)漏洞，應(yīng)加大航向和旁向重疊度，一般設(shè)計(jì)航向重疊度為70%，設(shè)計(jì)旁向重疊度為50%。

(2)無(wú)人機(jī)航空拍攝的相機(jī)為非量測(cè)相機(jī)，其像片存在邊緣畸變，航攝相機(jī)除對(duì)常規(guī)的主點(diǎn)、焦距進(jìn)行檢校外，還需要對(duì)畸變系數(shù)進(jìn)行檢校。

(3)單片正射影像間拼接時(shí)，應(yīng)檢查和適當(dāng)編輯拼接線，合理選擇平滑參數(shù)，使拼接效果最佳，無(wú)明顯拼接縫。拼接線宜選在河邊、路邊、溝、渠、田埂等地方，無(wú)法避開(kāi)居民區(qū)時(shí)應(yīng)沿河流中間或道路中間排列。

(4)在城市地區(qū)構(gòu)造DEM時(shí)，匹配的點(diǎn)有可能在建筑物頂上，內(nèi)插的DEM會(huì)出現(xiàn)突高和突低點(diǎn)，容易引起“拉花”，應(yīng)濾除掉這些點(diǎn)，并使DEM平滑。

(5)影像陰影過(guò)長(zhǎng)、密度過(guò)大，并已掩蓋相鄰景物的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行陰影和密度處理；影像反差過(guò)大造成色彩不柔和、反差過(guò)小影響景物判別的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行反差調(diào)整。

(6)低空無(wú)人機(jī)在高層建筑區(qū)段航攝，由于影像投影差大、傾斜方向不一致等影響，個(gè)別區(qū)段需要降低分辨率進(jìn)行補(bǔ)飛。

4 結(jié)論

利用低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字正射影像的制作，其相對(duì)定向、空三加密、DEM和DOM的精度能滿足當(dāng)前一般城市數(shù)字正射影像制作的要求。隨著多種機(jī)載傳感器、無(wú)人機(jī)硬件制造技術(shù)的發(fā)展，低空無(wú)人機(jī)以其機(jī)動(dòng)靈活、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，必能擁有更加廣闊的發(fā)展前景。

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TheApplicaitonofLowAltitudeUnmannedAerialVehiclePhotographySysteminOrthoimageProduction

WEI Yong BI Kai

2014-01-10

魏 涌(1981—)，男，2004年畢業(yè)于武漢大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)02-0017-03

P231

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