低空無(wú)人機(jī)技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

李慶勇

貴州省西能煤炭勘查開(kāi)發(fā)有限公司

低空無(wú)人機(jī)技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

李慶勇

貴州省西能煤炭勘查開(kāi)發(fā)有限公司

低空無(wú)人機(jī)由于自重小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、操作維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)在獲取大比例尺地圖測(cè)繪數(shù)據(jù)中具有重要的應(yīng)用前景。本文將以測(cè)圖鷹X-100為例，就其在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用展開(kāi)探討，并從數(shù)據(jù)采集、空三加密、正射影像圖輸出、數(shù)字線劃圖以及三維圖生成等方面進(jìn)行研究，以有效解決低空無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)。

無(wú)人機(jī)；低空攝影測(cè)量；空三加密；大比例尺地形圖；應(yīng)用研究

測(cè)繪業(yè)是推進(jìn)城市智能化管理，更好的服務(wù)城市建設(shè)、規(guī)劃、社會(huì)及公眾服務(wù)的重要基礎(chǔ)工作。傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)因手續(xù)繁復(fù)、對(duì)天氣及飛行條件依賴性較大，無(wú)法滿足大比例尺、高精度影像數(shù)據(jù)作業(yè)需要。無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟及發(fā)展，特別是在避免空域申請(qǐng)、操作便捷、機(jī)動(dòng)靈活上可以通過(guò)低空飛行來(lái)獲取高分辨率攝影數(shù)據(jù)，對(duì)于構(gòu)建小范圍大比例尺地圖數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)具有重要的應(yīng)用前景[1]。需要強(qiáng)調(diào)的是，針對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，由于無(wú)人機(jī)自重小，飛行高度較低，對(duì)于外界的干擾更容易影響其穩(wěn)定性，特別在數(shù)碼相機(jī)的裝配上，由于焦距較小、在后期影像拼接、空三加密等方面還存在較多難度。

一、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成及軟件處理技術(shù)

無(wú)人機(jī)在低空飛行中能夠獲取高精度的測(cè)繪數(shù)據(jù)，在城市規(guī)劃、國(guó)土資源遙感監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)、重大項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[2]。本例采用的測(cè)圖鷹X-100系統(tǒng)，其組成主要有飛行器，影像處理軟件和數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)三部分。對(duì)于測(cè)圖鷹X-100飛行器來(lái)說(shuō)，其正常飛行高度低于600m，飛行速度80-90km/h，續(xù)航時(shí)間40min。搭載的數(shù)碼相機(jī)焦距6.2mm，像素為0.00208mm。整機(jī)自重2kg，翼展100cm，以彈射架起飛、硬著陸降落，對(duì)起降場(chǎng)地要求較低。整個(gè)系統(tǒng)因采用較高測(cè)繪新技術(shù)，能夠滿足快速有效的對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域、難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行小范圍的高精度測(cè)繪，具有較高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。在影像處理軟件上，測(cè)圖鷹X-100采用航測(cè)全自動(dòng)空三影像處理系統(tǒng)Cloud-AT ver1.0，能夠滿足對(duì)現(xiàn)有航攝相機(jī)、數(shù)碼影像數(shù)據(jù)的全面兼容，特別是適用于低空機(jī)航攝，無(wú)人機(jī)航攝所獲取的豎直影像數(shù)據(jù)處理，特別是在多視影像匹配上，能夠結(jié)合空中三角測(cè)量網(wǎng)自動(dòng)構(gòu)建，再利用高分辨率影像來(lái)完成高精度航測(cè)定位要求。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：一是該軟件能夠完成自動(dòng)空三角測(cè)量功能，對(duì)于來(lái)自無(wú)人機(jī)的影像數(shù)據(jù)，可以通過(guò)GPS、無(wú)GPS下的空三解算要求；二是在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上能夠完成最多100個(gè)定向點(diǎn)的影像數(shù)據(jù)，并自動(dòng)完成處理；三是以自動(dòng)DEM功能完成自動(dòng)匹配；四是對(duì)于系統(tǒng)配置要求較低，普通電腦即可完成對(duì)空三計(jì)算；五是其數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)自動(dòng)處理后可以直接生產(chǎn)立體測(cè)圖；六是具有相機(jī)校驗(yàn)功能，應(yīng)用成本較低。在數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)中，基于Microsta?tion J平臺(tái)的SSK采集軟件，不僅節(jié)省人力，還能夠提升地圖測(cè)繪精度。本系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便的完成對(duì)輸出接口的選擇，利用通用CAD軟件來(lái)進(jìn)行操作和輸出，比手輪腳盤方式測(cè)繪更有效。

二、無(wú)人機(jī)低空作業(yè)在大比例尺測(cè)圖中的作業(yè)流程及關(guān)鍵技術(shù)分析

利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展低空測(cè)繪，其工作內(nèi)容主要有對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集、設(shè)置野外影像控制點(diǎn)、空三加密、以及數(shù)字測(cè)圖等步驟[3]。細(xì)化來(lái)看，其關(guān)鍵技術(shù)主要有：一是針對(duì)非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)在應(yīng)用中，需要對(duì)影像畸變進(jìn)行糾正處理。二是對(duì)地面控制點(diǎn)的布控，針對(duì)無(wú)人機(jī)低空飛行中的數(shù)據(jù)采集精度問(wèn)題，需要對(duì)地面進(jìn)行控制點(diǎn)布控，特別是增加控制點(diǎn)數(shù)量來(lái)提升成圖精度。結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)加密，優(yōu)化飛行航帶，確保航向重疊80%，旁向重疊60%。對(duì)于像控點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)時(shí)，要確保測(cè)區(qū)的均衡性，一般設(shè)在航向三片重疊和旁向重疊中線上，對(duì)于誤差較大的像控點(diǎn)要進(jìn)行剔除[4]。三是在影像鑲嵌上進(jìn)行正射修正。針對(duì)低空無(wú)人機(jī)所采用的非測(cè)相機(jī)，其影像成像以中心為投影，對(duì)于邊緣影像誤差較大，因此需要通過(guò)影像鑲嵌來(lái)修正，以滿足大比例尺成圖要求。在鑲嵌線修正過(guò)程中，盡量以線性特征接邊線如河流、道路為界；盡量避免直接橫穿大型建筑；盡量避免橫穿大面積沙漠、水區(qū)；盡量遠(yuǎn)離影像邊緣。在鑲嵌線修正后，要對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行拼合，由于色差或亮度差異性，要對(duì)鑲嵌線周邊進(jìn)行勻光勻色處理，使其過(guò)渡自然。四是在數(shù)據(jù)處理上能夠滿足海量影像的重疊處理。由于高分辨率下的航空攝影數(shù)據(jù)量較大，在影像自動(dòng)空三處理時(shí)需要進(jìn)行整體平差處理，以保障鑲嵌線協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在軟件選擇上要考慮到大容量高性能軟件進(jìn)行編輯處理。

三、測(cè)圖鷹X-100應(yīng)用實(shí)例分析

本例采用測(cè)圖鷹X-100，以300m低空飛行，測(cè)區(qū)面積為3.5km2，地面風(fēng)力0.1m，預(yù)設(shè)像控點(diǎn)88個(gè)，檢查的140個(gè)。由于本系統(tǒng)軟件采用空三加密，能夠滿足X軸絕對(duì)定向精度0.1700、Y軸0.2541、Z軸0.3993，相對(duì)定向精度X軸0.3156、Y軸0.3112、Z軸0.4675數(shù)據(jù)加密要求，直接導(dǎo)入SSK軟件進(jìn)行立體測(cè)圖，并與檢查點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在DOM數(shù)據(jù)輸出上，Cloud-AT1.0軟件采用空三加密DEM數(shù)據(jù)，以批量輸出正射影像圖，并通過(guò)ERDAS軟件對(duì)其進(jìn)行DOM拼接，獲得較為完整的正射影像圖。在DLG數(shù)據(jù)生成上，對(duì)于上述數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入SSK軟件，通過(guò)對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的拼接，以最終生成數(shù)字線劃圖。在三維立體圖的生成上，以DLG數(shù)字線化圖為基礎(chǔ)，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)來(lái)最終完成三維圖。

四、結(jié)語(yǔ)

在本例無(wú)人機(jī)低空測(cè)繪小范圍大比例尺地圖實(shí)施中，對(duì)于影像數(shù)據(jù)的采集、空三加密，以及正射圖像的輸出、數(shù)字線劃圖的生成，最終三維立體圖的構(gòu)建等方面，測(cè)圖鷹X-100所建立的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，其最大點(diǎn)位誤差為0.5m，且整機(jī)體積小，操作簡(jiǎn)便靈活，對(duì)于小范圍高精度測(cè)繪工作具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

[1]魯恒,李永樹(shù),何敬,任志明.無(wú)人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取與處理[J].測(cè)繪工程.2011(01).

[2]李永樹(shù).基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的地形圖測(cè)繪研究[J].測(cè)繪.2011 (04).

[3]叢金山,宋平,甄樹(shù)敏.低空攝影大比例尺成圖測(cè)量采礦區(qū)面積[J].林業(yè)實(shí)用技術(shù).2012(07).

[4]王湘文,于啟升,王雅鵬.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用[J].地礦測(cè)繪.2013(01).