無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)應(yīng)用初探

吳正鵬

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)應(yīng)用初探

吳正鵬?

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

無(wú)人飛行器與航空攝影測(cè)量的結(jié)合促成了攝影測(cè)量與遙感的新發(fā)展方向——無(wú)人飛行器低空航空攝影測(cè)量。本文結(jié)合天津市測(cè)繪院組織的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量試驗(yàn)，首先介紹了無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)的組成，然后就其數(shù)據(jù)處理流程及幾何處理進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

無(wú)人機(jī)；雙相機(jī)；低空遙感；空中三角測(cè)量

1 引 言

盡管近年來(lái)衛(wèi)星遙感、包括高分辨率衛(wèi)星遙感已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展，但由于衛(wèi)星遙感平臺(tái)受軌道的限制，每天過(guò)頂?shù)臅r(shí)間固定且受天氣影響較大，無(wú)法滿足應(yīng)急觀測(cè)需要；航空遙感雖然具有自主性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，但是在惡劣的天氣條件下，出于安全考慮，載人飛機(jī)往往無(wú)法升空作業(yè)，亦無(wú)法響應(yīng)應(yīng)急觀測(cè)需要；微波遙感等手段雖然不受云和天氣的影響，可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)，但由于探測(cè)原理的差異，并不能替代可見(jiàn)光和紅外遙感在實(shí)際應(yīng)用中的地位。

伴隨著無(wú)人飛行器(UAV)的發(fā)展，近年來(lái)無(wú)人飛行器將其自身特點(diǎn)與航空攝影測(cè)量結(jié)合，成為攝影測(cè)量與遙感的新平臺(tái)被引入測(cè)繪行業(yè)，形成一個(gè)新的發(fā)展方向:無(wú)人飛行器低空航空攝影測(cè)量。與前述幾類遙感平臺(tái)相比，低空遙感平臺(tái)具有以下幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①平臺(tái)構(gòu)建容易、維護(hù)成本極低；②受天氣的影響較小，作業(yè)方式機(jī)動(dòng)靈活；③飛行高度低，能夠獲得大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有巨大優(yōu)勢(shì)；④不受重訪周期限制，可在云下飛行，能有效避免云的影響，獲取高時(shí)間分辨率影像；⑤能夠獲取高重疊度的影像，增強(qiáng)了后續(xù)處理的可靠性；⑥受空域限制較小。此外，無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)還具有便于攜帶，轉(zhuǎn)移方便等優(yōu)點(diǎn)。鑒于以上諸多優(yōu)勢(shì)，基于小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭建的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題，現(xiàn)已逐步從研究開(kāi)發(fā)階段發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段。

當(dāng)前，國(guó)家測(cè)繪局已經(jīng)明確將“數(shù)字航空攝影、無(wú)人駕駛飛行器低空遙感影像等先進(jìn)的影像獲取技術(shù)用于測(cè)繪生產(chǎn)”列入了測(cè)繪系統(tǒng)工作要點(diǎn)。2010年4月，天津市測(cè)繪院訂購(gòu)了CK－GY04型無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)并于2010年4月23日在天津市靜?？h團(tuán)泊鎮(zhèn)進(jìn)行了試飛。本文將結(jié)合試驗(yàn)情況，對(duì)無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2 無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)的組成及技術(shù)參數(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)與一般的大型航空遙感系統(tǒng)的組成基本相同，由飛行平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、遙感傳感器以及遙感數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)組成。

2.1 CK－GY04型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

CK－GY04型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)參數(shù)如表1所示。

CK－GY04型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù) 表1

圖1 CK－GY04型無(wú)人機(jī)彈射起飛和開(kāi)傘降落

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力裝置與螺旋槳組成，提供飛機(jī)起飛、降落以及空中抗風(fēng)、完成飛行任務(wù)所需要的動(dòng)力。

2.3 飛行控制系統(tǒng)

飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)由地面遙控和機(jī)載自主控制兩大部分組成。飛機(jī)的升空過(guò)程控制和回收過(guò)程控制由地面作業(yè)人員通過(guò)地面控制中心進(jìn)行遙控控制，飛機(jī)到達(dá)預(yù)定高度后的定點(diǎn)控制通過(guò)機(jī)載自主控制系統(tǒng)進(jìn)行，并可以在上述兩種控制方式之間進(jìn)行切換。飛機(jī)機(jī)載自主控制系統(tǒng)由感知飛機(jī)狀態(tài)的傳感器、實(shí)施數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制功能的計(jì)算機(jī)、操縱舵面運(yùn)動(dòng)的伺服作動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)線電遙控收發(fā)裝置、機(jī)內(nèi)自測(cè)試(BIT)等分系統(tǒng)組成。飛行控制系統(tǒng)及方案原理如圖2所示。

圖2 飛控系統(tǒng)及方案原理圖

地面遙控系統(tǒng)主要由無(wú)線電遙控收發(fā)裝置、地面中心控制計(jì)算機(jī)、地面遙控工作臺(tái)等部分組成，如圖3所示。

圖3 地面遙控系統(tǒng)

2.4 遙感設(shè)備(傳感器)及航攝規(guī)劃系統(tǒng)

(1)遙感設(shè)備(傳感器)具有特寬角的組合雙相機(jī)系統(tǒng)(LAC02)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該設(shè)計(jì)能滿足無(wú)人機(jī)載航空遙感器輕小型化(重量不超過(guò)5 kg)及高程精度的要求。

特寬角相機(jī)的拼接是將多個(gè)單相機(jī)采用外場(chǎng)拼接的方式進(jìn)行拼接。最理想化的雙相機(jī)拼接模型為兩相機(jī)的投影中心完全重合，如圖5所示，S為投影中心，SO1和SO2為兩相機(jī)的主光軸。

圖4 組合特寬角雙相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(LAC02)

圖5 理想雙相機(jī)拼接模型

圖5 的拼接為理想的拼接方式，采用內(nèi)視場(chǎng)拼接方式時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)此種拼接方式，但內(nèi)視場(chǎng)拼接方式的難度在于多塊CCD的接連處理及分光鏡的安裝。目前國(guó)內(nèi)外航空相機(jī)主要的拼接方式是外視場(chǎng)拼接，如DMC相機(jī)采用外視場(chǎng)拼接方式，UltraCamD相機(jī)內(nèi)外視場(chǎng)兩種拼接方式均采用了。外視場(chǎng)拼接就是利用現(xiàn)有成型單相機(jī)(包括相機(jī)后背和鏡頭)進(jìn)行拼接，由于每個(gè)相機(jī)機(jī)械尺寸不一致，因此兩相機(jī)的投影中心s1和s2不重合。外視場(chǎng)拼接有內(nèi)傾式和外傾式兩種拼接方式，內(nèi)傾式是兩個(gè)相機(jī)鏡頭均向內(nèi)傾斜，如圖6所示；外傾式是兩個(gè)相機(jī)鏡頭均向外傾斜，如圖7所示。

圖6 帶有重疊度的外視場(chǎng)拼接模型(內(nèi)傾式)

圖7 帶有重疊度的外視場(chǎng)拼接模型(外傾式)

無(wú)論采取內(nèi)傾式還是外傾式拼接，從原理上都是一樣的，都要保持兩個(gè)相機(jī)的主光軸的傾角是一樣的，也就是∠O1O′O2保持不變。組合特寬角相機(jī)LAC02的具體參數(shù)如表2所示，LAC所獲取影像的地面分辨率與飛機(jī)航高之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

LAC02傳感器技術(shù)參數(shù) 表2

LAC02影像與航高之間關(guān)系 表3

(2)航攝規(guī)劃系統(tǒng)

航攝規(guī)劃系統(tǒng)是規(guī)劃實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標(biāo)，順利完成航空攝影測(cè)量任務(wù)的關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航空攝影，因此無(wú)人機(jī)的航攝規(guī)劃系統(tǒng)也與普通有人飛機(jī)不同。普通有人飛機(jī)的航攝系統(tǒng)一般是有人值守系統(tǒng)，而無(wú)人機(jī)的航攝規(guī)劃系統(tǒng)是無(wú)人值守的系統(tǒng)，需要通過(guò)遙控指令控制相機(jī)曝光。無(wú)人機(jī)的航攝規(guī)劃系統(tǒng)分為航線設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、航線上傳子系統(tǒng)、航點(diǎn)數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)三個(gè)部分，系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 航線規(guī)劃系統(tǒng)圖

3 無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程

與傳統(tǒng)航空攝影數(shù)據(jù)相比，無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):①由于采用了非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，鏡頭畸變較傳統(tǒng)航攝儀大；②低空寬視角，因視點(diǎn)變化的原因，影像四周地物幾何變形大，特征匹配難度大，有效匹配率低；③低空、寬像幅且高重疊度，影像數(shù)據(jù)量大；④雖采取了一定防范措施，但是仍免不了出現(xiàn)大的旋偏角，超出傳統(tǒng)航測(cè)±8°的規(guī)范要求[1]。因此，無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的處理在某些環(huán)節(jié)中有其特殊的地方，但總的來(lái)說(shuō)，其流程與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理基本一致。即相機(jī)檢校、批處理文件制作、全自動(dòng)影像匹配、定向點(diǎn)檢查、空三解算、DEM生成、DOM生成幾個(gè)步驟，如圖9所示。

圖9 無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程

4 無(wú)人機(jī)低空遙感影像幾何處理試驗(yàn)

4.1 飛行情況簡(jiǎn)介

2010年4月下旬，CK－GY04無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)在天津市靜?？h團(tuán)泊鎮(zhèn)飛行，獲取了近8 km2(約400張)的航空攝影數(shù)據(jù)。航攝當(dāng)天，當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力在5級(jí)在左右，通過(guò)檢查雙相拼接(如圖10所示)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)所獲取的像片在像片重疊、傾斜角、旋偏角及航線彎曲度、航高保持等方面都能滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要求。

圖10 雙相拼接示意圖

4.2 外業(yè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)測(cè)量情況

根據(jù)航空攝影數(shù)據(jù)檢查結(jié)果，選取地物信息相對(duì)豐富的區(qū)域作為開(kāi)展空中三角測(cè)量及地形圖測(cè)繪的試驗(yàn)樣區(qū)，包括4條航線，每條航線32張航片，總面積約3 km2，如圖11所示。像控點(diǎn)布設(shè)方案采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，按照航向2條～3條基線、旁向1條航線的跨度共布設(shè)平高控制點(diǎn)32個(gè)；同時(shí)，在地物集中的居民區(qū)布設(shè)69個(gè)檢查點(diǎn)供地形圖測(cè)繪精度評(píng)價(jià)使用；像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)分布如圖12所示。

像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)的平面與高程均采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量方法，直接測(cè)量像控點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)，并依據(jù)要求將WGS－84大地坐標(biāo)換算至天津90地方坐標(biāo)系。具體參考如下要求:①衛(wèi)星高度角≥15°；②有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5；③數(shù)據(jù)采樣時(shí)間3 min；④點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度(PDOP值)≤6。

圖11 試驗(yàn)區(qū)航攝覆蓋圖

圖12 像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布示意圖

4.3 區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量

利用無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)獲取的數(shù)碼影像進(jìn)行地面目標(biāo)量測(cè)所能達(dá)到的精度是該系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一；同時(shí)，也直接影響到該系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。此次采用外業(yè)采集的30個(gè)控制點(diǎn)分三種方案進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度測(cè)試，其精度統(tǒng)計(jì)情況如表4所示。

區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量精度匯總表 表4

通過(guò)對(duì)不同方案區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量結(jié)果的分析，我們認(rèn)為每平方千米布設(shè)6個(gè)像控點(diǎn)即可滿足成圖要求。同時(shí)，無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量有以下特點(diǎn):①由于低空遙感影像的航向重疊度一般為80%，旁向重疊度約60%，空中三角測(cè)量時(shí)，每個(gè)地面點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)觀測(cè)值較傳統(tǒng)攝影測(cè)量大大增加，而冗余觀測(cè)值的增加不僅可以提高整體平差的精度，而且非常有利于粗差觀測(cè)值的探測(cè)和剔除。②相對(duì)定向和自由網(wǎng)空中三角測(cè)量中誤差較大。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，中誤差較大并不是由同名點(diǎn)存在粗差引起的，而是由于配置的24 mm廣角鏡頭存在很大的畸變差所致。故在相對(duì)定向和自由網(wǎng)空中三角測(cè)量前，先進(jìn)行像點(diǎn)坐標(biāo)畸變改正，則自由網(wǎng)平差的中誤差會(huì)迅速提高。③由于像控點(diǎn)采用的是地面自然特征點(diǎn)，因而區(qū)域網(wǎng)平差精度會(huì)受到像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)誤差的影響。采用明顯人工標(biāo)志作為像控點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)平差精度應(yīng)該會(huì)有較大提高。

另外，如果在無(wú)人機(jī)上安裝高精度的GPS接收機(jī)，并在飛行過(guò)程中記錄GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，則有可能像傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量一樣進(jìn)行GPS輔助空中三角測(cè)量，從而大大減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)一步提高低空遙感影像數(shù)據(jù)的處理效率。

4.4 正射影像圖(DOM)制作

本文利用區(qū)域網(wǎng)平差后的空中三角測(cè)量結(jié)果重建模型采集特征點(diǎn)、特征線內(nèi)插生成測(cè)區(qū)的DTM，進(jìn)而制作對(duì)應(yīng)的正射影像。通過(guò)量測(cè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)(地面點(diǎn))在正射影像上的平面坐標(biāo)，并與已知坐標(biāo)比對(duì)，可以對(duì)正射影像進(jìn)行精度檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，像控點(diǎn)(地面點(diǎn))的平面位置中誤差約0.3 m，說(shuō)明所生成的正射影像精度較為理想。不過(guò)由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)勻光及調(diào)色處理，正射影像存在明顯的色彩不一致現(xiàn)象，可以采用專業(yè)后處理軟件進(jìn)行處理。

4.5 立體測(cè)圖

在立體環(huán)境中，讀取像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)的坐標(biāo)并與外業(yè)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，其精度統(tǒng)計(jì)情況如表5所示。

立體測(cè)圖精度統(tǒng)計(jì)表 表5

通過(guò)分析立體測(cè)圖誤差分布情況，我們發(fā)現(xiàn)一倍中誤差以內(nèi)的點(diǎn)約占總點(diǎn)數(shù)的70%，兩倍中誤差以內(nèi)97%，僅有3%的點(diǎn)位誤差超過(guò)了兩倍中誤差，而最大誤差均小于三倍中誤差，說(shuō)明立體測(cè)圖結(jié)果不存在粗差。同時(shí)，由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差改正，立體測(cè)圖中的點(diǎn)位精度與空中三角測(cè)量精度相差較大，尤其是相鄰像對(duì)及航線間的高程誤差較大，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差改正，平面精度及高程精度會(huì)有較大提高。因此，無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)能滿足1∶2 000、1∶1 000或更大比例尺地形圖測(cè)繪要求。

5 應(yīng)用展望

近年來(lái)，城市建設(shè)與規(guī)劃、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)、精確農(nóng)業(yè)、自然災(zāi)害期間空間信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取以及災(zāi)情評(píng)估與災(zāi)后重建等對(duì)大比例尺數(shù)據(jù)的要求日益迫切。上述行業(yè)的應(yīng)用不僅要求影像數(shù)據(jù)具有更高空間分辨率，有的更要求其具有高時(shí)間分辨率。例如，城市建設(shè)監(jiān)測(cè)與農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)中通常需要按月獲取數(shù)據(jù)；國(guó)土資源監(jiān)測(cè)要求分季度提交數(shù)據(jù)；而對(duì)于突發(fā)的災(zāi)情則需要快速反應(yīng)，及時(shí)獲取信息，實(shí)時(shí)把握災(zāi)情狀況，快速、正確地做出救災(zāi)抗災(zāi)之決策。同時(shí)，在一些自然災(zāi)害(地震、洪災(zāi)等)發(fā)生時(shí)進(jìn)行的測(cè)繪活動(dòng)，因環(huán)境惡劣，不僅要考慮儀器設(shè)備的安全，更要考慮人員的安全，如果用傳統(tǒng)的遙感與有人飛機(jī)航空拍攝，將極難實(shí)現(xiàn)或因耗費(fèi)過(guò)高而產(chǎn)出極低。無(wú)人飛行器低空航空攝影測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)則為我們提供了高空間、時(shí)間分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的新思路。隨著無(wú)人飛行器低空航空攝影測(cè)量系統(tǒng)在抗風(fēng)能力、姿態(tài)穩(wěn)定度、續(xù)航時(shí)間等方面的提高及其與高精度GPS集成的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)將成為高空間、時(shí)間分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的可靠手段。

[1] 張永軍.基于無(wú)人駕駛飛艇的低空遙感影像幾何處理.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2009(3)

[2] 李英成，趙繼成，丁曉波.超輕型飛機(jī)低空數(shù)碼遙感系統(tǒng)用于土地資源信息獲取.遙感應(yīng)用，2005(4)

[3] 彭曉東，林宗堅(jiān).無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng).測(cè)繪科學(xué)，2009 (7)

[4] 姬淵，秦志遠(yuǎn)，王秉杰等.小型無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)在攝影測(cè)量中的應(yīng)用研究.測(cè)繪技術(shù)裝備，2008(1)

Primary Study on Application of UAV Low－Altitude Remote Sensing System with Dual－camera

Wu ZhengPeng
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

The combination of UAV and aerial photogrammetry contributed to new development direction of Photogrammetry＆remote sensing—UAV low－altitude aerial photogrammetry.In this article，the component of UAV low－altitude remote sensing system with dual－camera and the detailed analysis of data processing workflow are introduced as well as geometry processing based on the UAV aerial photogrammetry test organized by Tianjin Institute of Surveying and Mapping.Finally，the future application of the system is forecasted.

UAV；Dual－Camera；Low－Altitude Remote Sensing；Aerotriangulation

1672－8262(2011)01－76－05

P231

B

2010—09—03

吳正鵬(1981—)，男，工程師，主要從事攝影測(cè)量與遙感的數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用研究與管理工作。