無人機在災(zāi)害預(yù)防中的場景應(yīng)用

王泓灃 王久懿

（中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150086）

在天然災(zāi)害發(fā)生時，往往需要即時的災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)，其中包括正射圖像、大范圍傾斜拍攝及地表三維模型，供救災(zāi)單位進(jìn)行應(yīng)用及決策使用。自然災(zāi)害發(fā)生后需要進(jìn)行即時環(huán)境踏勘，初步判斷現(xiàn)地災(zāi)害信息，以往自然災(zāi)害發(fā)生后，傳統(tǒng)取得現(xiàn)地信息往往仰賴航測飛機進(jìn)行勘查，而其無法于第一時間進(jìn)行升空拍攝，導(dǎo)致取得災(zāi)害信息速度緩慢，利用無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）即時性、快速性、便利的特性，快速捕抓災(zāi)害，取得各相關(guān)地表數(shù)據(jù)，方便決策者對災(zāi)害進(jìn)行快速應(yīng)變[1]。使用UAV執(zhí)行航拍任務(wù)，若測區(qū)面積不大，與正規(guī)航空測量相比，UAV機動靈活，能夠降低成本，減少危險[2]。

1 無人機載具系統(tǒng)

無人飛行載具系統(tǒng)是指無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）及其地面相關(guān)控制組件，早期研制無人機的目的是用于軍事，20世紀(jì)80年代以來，隨著信息科技的迅速發(fā)展及各種新型傳感器的不斷問世，無人飛行載具系統(tǒng)的性能不斷提高，發(fā)展趨勢為低價化、微型化、自動化操作，由于其具有輕便、隱蔽性好、機動靈活、使用成本低等特點，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，從早期軍事運用擴展至海岸防衛(wèi)、環(huán)境監(jiān)測、交通控制、危險任務(wù)監(jiān)控、災(zāi)后圖像獲取及球賽轉(zhuǎn)播、電影制作、極限運動拍攝等娛樂方面應(yīng)用[3]。另一方面，無人飛行可以裝設(shè)數(shù)字相機、雷射掃描、多光譜、高光譜、熱感應(yīng)及微波等日趨小型化設(shè)備，能進(jìn)行洪水及土壤水分、植被、濕地、土地覆蓋及目標(biāo)檢測。

2 UAV圖像處理可行性評估

2.1 斜拍鳥瞰圖像

無人機裝載無刷云臺，其設(shè)備主要功能為保持相機動態(tài)穩(wěn)定以及調(diào)整鏡頭拍攝方式，借由斜拍角度，獲取空拍范圍環(huán)境信息，能有效呈現(xiàn)整體環(huán)境現(xiàn)況，并能將斜拍鳥瞰信息轉(zhuǎn)化到后續(xù)分析中。如圖1為鳥瞰照片范例，由空拍鳥瞰可清楚掌握保全戶、溪床、邊坡崩塌相對應(yīng)關(guān)系[4]。

圖1 鳥瞰照片范例

2.2 空拍環(huán)景構(gòu)建（動、靜態(tài)）

環(huán)景一詞源自于panorama，簡稱pano。環(huán)景攝像的概念源自于利用電腦播放軟件，讓使用者能根據(jù)需求旋轉(zhuǎn)照片，產(chǎn)生一種身臨其境的視覺效果。由于無人載具可進(jìn)行停懸作業(yè)，因此在正確的操作下可利用單臺相機進(jìn)行空中720°環(huán)景作業(yè)，拼接環(huán)景照片僅需短短15min拼接完成，將高清晰度圖像利用環(huán)景技術(shù)制作成全景環(huán)繞場景，產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實的效果，完整記錄重點地區(qū)的全貌，所提供的視覺效果遠(yuǎn)比二維地圖好。動態(tài)方面，使用可裝載6臺GOPRO極限運動動態(tài)攝像機機架，掛載于無人載具下方。在飛行過程中，同時錄影捕抓6個維度的動態(tài)信息，通過AutopanoVideo進(jìn)行環(huán)景拼接可將6個維度動態(tài)信息拼接成一部全面像動態(tài)視頻，可使用KolorEyes軟件，進(jìn)行電腦、手機播放。

2.3 航拍圖像制圖

以實際航拍數(shù)據(jù)研究消費型攝像機動態(tài)錄影方式取得現(xiàn)地數(shù)據(jù)精度，將容易發(fā)生災(zāi)害的主流河道作為試驗區(qū)。試驗過程選用含有GPS的飛行控制系統(tǒng)、動態(tài)GPS記錄器以及搭載高靈敏傳感器塔羅無刷云臺，當(dāng)載具在高空受擾動氣流時，能自我穩(wěn)定拍攝方向，并以近垂直角度拍攝地面景物。

2.3.1 多旋翼及相機云臺組裝設(shè)置

該文使用的多旋翼機型為四軸無人載具，飛行控制則選用DJI大疆NAZA V2系統(tǒng)，其為自裝設(shè)置相關(guān)飛控參數(shù)，包括俯仰、橫滾、航向角、垂直等參數(shù)設(shè)置，其參數(shù)值越大則表示操控性越靈敏。

該研究使用的多旋翼機型為四軸無人載具，飛控則選用DJI大疆NAZA V2系統(tǒng)，其為自裝設(shè)置相關(guān)飛控參數(shù)，包括俯仰、橫滾、航向角、垂直等參數(shù)設(shè)置，其參數(shù)值越大則表示操控性越靈敏。云臺則使用塔羅TAROT 2軸云臺，云臺參數(shù)設(shè)置主要在于遙控器控制的靈敏度，當(dāng)數(shù)值越大表示敏感度越高。

2.3.2 相機參數(shù)及魚眼濾除

本次研究對象選擇我院在2016年8月~2017年9月接診治療的60例行手術(shù)治療的老年骨科患者,將60例患者通過抽簽法平均分為30例參照組與30例實驗組。

由于空中圖像拍攝的相機鏡頭像幅大小技術(shù)不夠，因此呈像不夠?qū)拸V，單張圖像不足以容納整個圖像范圍，為了呈現(xiàn)所需要的空拍場景，可能將空拍照片拍成數(shù)張片段場景之后，再將其接合起來，該研究使用GOPRO HERO3魚眼鏡頭，必須先對其呈像照片進(jìn)行幾何校正，目前魚眼鏡頭視廠大概在170°～270°，成像時需要考慮球面物體和平面像的共軛關(guān)系，光學(xué)系統(tǒng)理想的像高公式表示如下。

式中：h為理想像高，f為系統(tǒng)物方焦距，θ為物方視場半角。在公式（1）可知，當(dāng)θ= ±90°時，h= ±∞，像面變得無限大且無法分辨，所以魚眼鏡頭需要人為地加入桶形畸變，其變形是投影成像的結(jié)果，而不是由像差形成，魚眼鏡頭的桶形畸變對所成像清晰度沒有明顯影響，導(dǎo)入固定的桶形畸變會改善魚眼鏡頭的像面照度的均勻性。使用的消費型相機為Gopro HERO3，選取4k/15fps魚眼模式進(jìn)行空中動態(tài)錄影，通過圖像截圖軟件每秒取得1張圖像，畫質(zhì)為3840×2160，約6百萬像素，因魚眼模式所錄的視頻四周變形嚴(yán)重，因此使用Adode Photoshop Lightoom 5軟件進(jìn)行區(qū)域變形修正，代入Pix4Dmapper重新設(shè)置相機參數(shù)及重復(fù)驗證修正系數(shù)。

2.3.3 GPS 雙頻動態(tài)軌跡記錄器（Venus858F-GL）

進(jìn)行航拍時為了記錄航拍器Gopro HERO3動態(tài)錄影位置數(shù)據(jù)，所搭載GPS記錄器為雙頻動態(tài)軌跡記錄器，匹配方式為將錄影與GPS系統(tǒng)記錄同時斷電及停止錄影，因GPS系統(tǒng)記錄器為1s記錄一點，所以獲取圖像時為1s一張圖像，并從斷電及停止錄影最后一刻往前匹配，可獲得錄影每秒動態(tài)位置，而其GPS優(yōu)點在于可同時接收GPS/GLONASS 2種衛(wèi)星定位信息，最佳精度可達(dá)2.5m，平均29s定位完成，熱起動僅需1s。GPS記錄器裝載位置在動態(tài)攝像機正上方約11cm。

2.3.4 航線規(guī)劃與地面控制點布設(shè)

規(guī)劃航拍時首先考慮單趟飛行時間、距離以及航拍面積范圍，單趟平均飛行時間約17min，單趟飛行距離1km～2km，飛行高度200m，因此航線規(guī)劃2條航帶，另因使用動態(tài)錄影形式（每秒15張靜態(tài)圖像）前后2張照片信息內(nèi)容須重疊70%～80%。在進(jìn)行空中三角測量平差時的平面與高程地面控制點（Ground Control Point，GCPs），于規(guī)劃位置前中后各設(shè)置一處，總計3處，位置如圖2所示。通過電子化全球衛(wèi)星即時動態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)e-GNSS進(jìn)行控制點測量，并結(jié)合周邊水準(zhǔn)點進(jìn)行誤差改正。

飛行路徑是研究人員通過圖像回傳數(shù)據(jù)來控制航線循跡而形成的路徑，并以近垂直的角度進(jìn)行航空動態(tài)錄影，將視頻截取為單張圖片并修正魚眼，套入Pix4Dmapper中，在人工挑選圖像平面與高程地面控制點（Ground Control Point，GCPs），總計挑選3處地面控制點，檢測點位5處，再根據(jù)Pix4Dmapper自動測量連接點的功能增加連接點數(shù)，制作的成果與人工測量斷面比對高程誤差精度，由于成果數(shù)據(jù)包括地表面所有數(shù)據(jù)，如植被、水面、建筑物、道路以及河床裸露地等數(shù)據(jù)，而人工斷面測量所測量數(shù)據(jù)為裸露地區(qū)域，因此只研究河床裸露地的精度值。

2.3.5 精度檢測

精度檢測包括人工測量斷面、控制點檢測、檢測點檢測等3個工作項目，掌握制作的地形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，檢測點位獲取方式采用TOPCON GTS-226電子光波測距經(jīng)緯儀或VBSRTK（高精度GPS）等。

2.3.5.1 人工測量斷面

檢測斷面使用上述地面控制點（Ground Control Point，GCPs）搭配TOPCON GTS-226電子光波測距經(jīng)緯儀進(jìn)行大斷面測量，總計測量3處斷面數(shù)據(jù)，分別位于3處控制點，檢測斷面位置如圖2所示。

圖2 地面控制點位及檢測點位置

檢測成果GCP1斷面裸露地平均誤差±0.17m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.12m；GCP2斷面裸露地平均誤差±0.12m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.10m；GCP3斷面裸露地平均誤差±0.43m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.18m。3個斷面檢測中，GCP2斷面誤差最小，GCP3斷面誤差最大，由上述數(shù)據(jù)顯示制作的地形數(shù)據(jù)越往中間值精度越佳，越邊緣精度相對較差，并由成果發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)匦纹露壬邥r誤差量亦也隨之升高。

2.3.5.2 控制點位檢測

控制點為已知坐標(biāo)點位，并與現(xiàn)地周圍等水準(zhǔn)點進(jìn)行平差校正，所獲得的數(shù)據(jù)為正高。進(jìn)行航空攝像測量時點選3處地面控制點，控制點位坐標(biāo)通過電子化全球衛(wèi)星即時動態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)e-GNSS進(jìn)行控制點測量。3處地面檢測點的X平均誤差±0.029m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.04m；Y平均誤差±0.118m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.163m。地面控制點誤差如表1所示。

表1 UAV精度結(jié)果-控制點檢測

2.3.5.3 檢測點位

航空攝像測量時選取5處地面檢測點，其篩選原則為選擇易變動的控制點，如道路、橋梁等區(qū)域，其檢測點位為未導(dǎo)入Pix4Dmapper 計算平差的成果，從而方便檢測之用。檢測點如圖2所示，其中檢測點位2（誤差X：0.0001m，Y：0.15m，Z：-0.514m） 的高程誤差較大，檢查后發(fā)現(xiàn)會受周邊樹木影響。因此將其誤差大的數(shù)據(jù)去除，X平均誤差±0.075m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.043m；Y平均誤差±0.042m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.040m；Z平均誤差±0.124m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.058m。地面檢測點誤差如表2所示。

表2 UAV精度結(jié)果-檢測點檢測

2.3.6 建構(gòu)立體視圖

利用照片校準(zhǔn)方法取得相機內(nèi)方位參數(shù)，搭配外方外空間信息，進(jìn)行地表測量，以三角測量為基礎(chǔ)，使用相機對特定物體進(jìn)行不同角度拍攝，經(jīng)計算后可獲得該測量區(qū)三維立體模型。使用該技術(shù)的關(guān)鍵在于取得飛行載具、拍攝時的姿態(tài)角以及記錄當(dāng)時飛行照片坐標(biāo)，并經(jīng)由計算取得目標(biāo)物的信息。建構(gòu)立體視圖除了提供視覺化呈現(xiàn)外，也可掌握環(huán)境整體概況，可以明顯了解河道水流流向與邊坡相對應(yīng)關(guān)系。

3 優(yōu)勢及不足

該研究主題通過簡易四軸無人載具及消費型攝像機進(jìn)行空拍任務(wù)，所取得數(shù)據(jù)為動態(tài)錄影數(shù)據(jù)，進(jìn)行防救災(zāi)可行性研究，而它具有下列優(yōu)點：1） 簡易型四軸無人載具搭載極輕消費型攝像機，重量大幅減輕，同時增加可飛行時間。2）過去無人載具采用高單價傳感器及飛行器進(jìn)行地面空間測量，相關(guān)費用開銷大。現(xiàn)在采用低價飛行器創(chuàng)造高效益產(chǎn)值。3）使用機動性高、低成本UAV無人載具進(jìn)行大面積觀測，除可降低成本開銷外，所獲得圖像信息并未因采用低成本傳感器導(dǎo)致精度不佳。4）根據(jù)1‰制圖標(biāo)準(zhǔn)，平面絕對精度須小于25cm，高程精度須小于30cm，應(yīng)用于防救災(zāi)須快速取得地面數(shù)據(jù)相對可行，但制圖使用還需考慮。5）動靜態(tài)720°圖像拼接，掌握環(huán)景整體概況，并可提供前后時期環(huán)境比對。6）錄影后制快速圖像拼接，即時傳輸當(dāng)?shù)馗艣r以及災(zāi)前災(zāi)后比較。

缺點如下：1）旋翼機飛行時間遭受電池限制，定翼機電池限制較小，飛行時間比旋翼機長。2） 因所使用圖像為動態(tài)視頻截取，因此相對畫質(zhì)比單眼圖像差。3）天氣不穩(wěn)拍攝成果與天氣晴朗相較更差，精度也不佳。4）目前已有制作油料型的旋翼機，若旋翼機可提高飛行時數(shù)，即可克服在區(qū)域廣大或飛行高差大的區(qū)域進(jìn)行拍攝出現(xiàn)的問題。

4 結(jié)語

綜上所述，在發(fā)生自然災(zāi)害時，為了能夠獲得即時的災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)，為單位提供有力的數(shù)據(jù)支持，需要在自然災(zāi)害發(fā)生之后進(jìn)行即時環(huán)境踏勘，對災(zāi)害信息進(jìn)行初步的判斷。過去無人機均采用高單價傳感器及飛行器進(jìn)行地面空間測量，當(dāng)耗損時，維護(hù)費用高，為了降低維護(hù)費用并確保精度。在該研究中使用機動性高、成本低的UAV進(jìn)行地表觀測，耗損時，除了可降低成本開銷外，所獲得圖像信息并未因采用低成本傳感器導(dǎo)致精度不佳，該研究飛行高度200m，所制作檢測點位平面X平均誤差±0.075m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.043m；Y平均誤差±0.042m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.063m；高程精度Z平均誤差±0.124m，標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.149m，應(yīng)用于防救災(zāi)須快速取得地面數(shù)據(jù)相對可行。該研究使用3處控制點以及圖片坐標(biāo)進(jìn)行正射圖像及地形制作，獲取控制點檢測成果佳，而未研究控制點分布與數(shù)量方可得最佳的成果，建議未來研究方針可研究3處以上地面控制點進(jìn)行比較，研究制作面積與控制點數(shù)量關(guān)系，獲得最佳成果。通過研究，該文所提出的方法不僅可以確保精度，還能夠降低維護(hù)成本，為自然災(zāi)害發(fā)生的數(shù)據(jù)獲取提供有力支持，但是其還有可以改進(jìn)的地方，今后將會進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。