固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域的應(yīng)用研究

王莉，胡開全

(重慶市勘測院，重慶 400020)

固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域的應(yīng)用研究

王莉，胡開全

(重慶市勘測院，重慶 400020)

闡述了固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域的應(yīng)用。研究無人機(jī)在山地區(qū)域的適宜機(jī)型、影像獲取、慣導(dǎo)輔助空三和3D產(chǎn)品制作，以及應(yīng)用示范等。并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，提出固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的改進(jìn)建議。

固定翼無人機(jī)；低空遙感；山地區(qū)域；像素工廠；慣導(dǎo)

1 前 言

重慶具有山高林密、地形起伏大、水網(wǎng)密布等地形特征，多云多霧，地形與氣象條件在我國具有特殊性，應(yīng)用常規(guī)航空攝影和衛(wèi)星遙感難以快速獲取高分辨率遙感影像。無人飛行器低空遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，為解決重慶地區(qū)高分辨率遙感影像的快速獲取提供了新的思路和方法。

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有體積小、重量輕、探測精度高，受天氣影響較小，機(jī)動快速、成本低的優(yōu)勢，能快速獲取高分辨率遙感影像。具有對地快速實(shí)時調(diào)查監(jiān)測能力，是衛(wèi)星遙感與載人飛行航空遙感的重要補(bǔ)充，已成為國內(nèi)外應(yīng)用與研究的熱點(diǎn)之一。

本文針對重慶地區(qū)特殊的地理?xiàng)l件和氣候因素，以固定翼無人機(jī)遙感系統(tǒng)用于高分辨率影像獲取，基于像素工廠進(jìn)行影像處理，并進(jìn)行產(chǎn)品制作及應(yīng)用研究。

2 無人機(jī)的選擇

山地區(qū)域山高谷深，溝壑縱橫，地形起伏大。無人駕駛直升機(jī)雖然能夠定點(diǎn)起飛、降落，對起降場地的要求不高，但是其結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，操控難度大，其平穩(wěn)、勻速性不能滿足測繪的精度要求，因此實(shí)際應(yīng)用比較少。而滑跑起降的固定翼無人機(jī)，很難在山地區(qū)域找到平直、寬闊的公路用于起降。即使偶爾找到，也需要交通部門配合，中斷交通，將影響正常的交通秩序。具有彈射起飛和傘降功能的固定翼無人機(jī)，其起飛和降落，只需要一塊比較空曠平整的場地即可，是山地區(qū)域測繪應(yīng)用的首選。

3 影像獲取

由于固定翼無人機(jī)系統(tǒng)使用的是氣壓高度計(jì)，雖然在導(dǎo)航中也有GPS高度，但是控制系統(tǒng)是根據(jù)氣壓高度計(jì)來調(diào)節(jié)無人機(jī)飛行高度。氣壓高度計(jì)利用空氣壓力隨高度的增加而減小的變化規(guī)律，通過測定壓力來確定相對應(yīng)的高度，其靈敏度欠佳。而山地區(qū)域地形起伏較大，空氣壓力變化也較大，因此從安全考慮，航線設(shè)計(jì)時應(yīng)保留充裕的空間。

山地區(qū)域地形起伏高差較大，很多時候需要分?jǐn)z區(qū)，而固定翼無人機(jī)最容易發(fā)生安全事故是在起飛和降落的時候。因此，宜用空中改變航高的方法進(jìn)行航攝，以減少無人機(jī)起降的風(fēng)險。同時，如果場地周圍有高大的山地，可能會影響地面監(jiān)控站與無人機(jī)的直接通信，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，此時最好在山地最高處架設(shè)第二監(jiān)控站，或者派人員在山地最高處觀察無人機(jī)飛行姿態(tài)，并做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

無人機(jī)每次飛行前，必須仔細(xì)檢查系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)是否正常。在航攝過程中由飛行師、監(jiān)控師、地勤師、機(jī)務(wù)師共同配合，完成無人機(jī)的檢查、起飛、攝影和傘降回收等工作。

4 影像處理

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)由于自身重量、操控特性、風(fēng)力的影響，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法同載人航空攝影及衛(wèi)星遙感平臺相比，其航攝的像片傾角、旋角，以及航線彎曲度比較大。同時，由于無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)因載荷較小的原因，多采用體積小、重量輕的非量測數(shù)碼相機(jī)，因此像幅小，相對于航空攝影像片數(shù)量多。如果采用傳統(tǒng)航測空三加密作業(yè)，需要的像控點(diǎn)數(shù)較多。而且重慶山地區(qū)域山高林密，對于像控點(diǎn)測量工作難度較大，效率低下。由于無人機(jī)基本上都裝備有GPS、IMU系統(tǒng)，雖然精度較低，但是可以選擇適宜的慣導(dǎo)輔助空中三角測量軟件，充分利用、優(yōu)化其慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，以有效減少地面像控點(diǎn)數(shù)量，縮短成圖周期，提高生產(chǎn)效率。通過對當(dāng)前主流空中三角測量軟件測試對比，在利用無人機(jī)影像的GPS、IMU數(shù)據(jù)方面，像素工廠(PixelFactory)相對而言效果比較好。

像素工廠內(nèi)建的框幅相機(jī)傳感器模型在傳統(tǒng)6個內(nèi)外方位元素模型基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前市場航拍相機(jī)越來越多的使用非量測相機(jī)，配備IMU、GPS系統(tǒng)等特點(diǎn)，一方面將相機(jī)內(nèi)部多種畸變差進(jìn)行建模，另一方面，將整個IMU_GPS系統(tǒng)納入傳感器模型內(nèi)，同時還考慮了相機(jī)與平臺的對應(yīng)幾何位置關(guān)系等，將整個航拍系統(tǒng)的模型作為平差項(xiàng)，同時根據(jù)各個誤差項(xiàng)的各自物理意義進(jìn)行分組綁定，在此控制以及約束下，滿足以最少的同名點(diǎn)和稀少控制點(diǎn)進(jìn)行平差達(dá)到成圖需要的精度要求。而且包含具有強(qiáng)大計(jì)算能力的若干個計(jì)算節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

以重慶市巴南區(qū)木洞片區(qū)采用傘降型固定翼無人機(jī)實(shí)施航攝項(xiàng)目(如圖1所示)為例，測區(qū)范圍約10 km2(黑色線)，山地地形，按1∶2000比例尺制作3D產(chǎn)品。航攝有效面積27 km2，共13條航線，554張相片(灰色點(diǎn)為片號)，地面分辨率0.12 m。外業(yè)實(shí)測像控點(diǎn)56個(P點(diǎn))，加密使用分布四角的4個控制點(diǎn)(紅色點(diǎn))。

圖1 測區(qū)范圍、控制點(diǎn)及像主點(diǎn)示意圖

采用像素工廠系統(tǒng)，利用IMU_GP數(shù)據(jù)輔助建立影像間的相互關(guān)系，對影像進(jìn)行匹配得到連接點(diǎn)，利用特征點(diǎn)優(yōu)化外方位元素，之后再反復(fù)匹配提取特征點(diǎn)和優(yōu)化外方位元素，直至所有特征點(diǎn)有一個均勻、牢固且精度好的匹配結(jié)果。然后引入地面控制點(diǎn)，聯(lián)合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算，輸出畸變糾正后的影像和外方位元素及連接點(diǎn)的像方、物方坐標(biāo)。加密成果精度統(tǒng)計(jì)見表1所示(除去已使用的4個基本定向點(diǎn)外，在其余的51個P點(diǎn)中隨機(jī)、均勻的抽取11個點(diǎn)作為檢查點(diǎn))。

加密成果精度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)表1

5 產(chǎn)品制作

(1)數(shù)字高程模型制作

像素工廠利用影像及其外方位元素建立立體像對，重采樣獲取核線影像后，按照像素級匹配生成各像對的子DSM，再對所有子DSM進(jìn)行鑲嵌獲取整個測區(qū)的DSM。通過濾波和結(jié)合人工修改等方法編輯DSM，獲取真實(shí)地形的高程模型。

此外，也可采用導(dǎo)出的空三成果建立立體模型，采集三維特征點(diǎn)線面的矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)TIN內(nèi)插獲取數(shù)字高程模型。

(2)數(shù)字正射影像圖制作

像素工廠利用具有外方位元素的影像資料和DTM，先糾正出單張的“瓦片”DOM，然后自動生成鑲嵌線進(jìn)行鑲嵌，同時對所有單片正射影像作全局的勻光勻色。像素工廠自動生成的鑲嵌線能有效避開密集房屋區(qū)，智能程度較高，編輯鑲嵌線時能實(shí)時顯示修改結(jié)果，可有效提高生產(chǎn)效率。

如果有大重疊度(旁向和航向重疊度均大于80%)影像，像素工廠利用具有外方位元素的影像資料和DSM，參考地物高程、入射角度等因素，自動選擇入射角垂直的影像進(jìn)行采樣，生成真正射影像。

(3)數(shù)字線劃圖制作

像素工廠不具有立體模型采集功能，因此只能利用其空三加密結(jié)果，采用第三方軟件建立立體模型進(jìn)行數(shù)字線劃圖采集與編輯。由于無人機(jī)影像像幅小，需要頻繁切換立體模型，因此，選擇可自動切換模型的MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測量軟件進(jìn)行立體測圖，可在一定程度上提高生產(chǎn)效率。

6 精度檢核

外業(yè)隨機(jī)實(shí)測平面位置58個點(diǎn)，包括房角、壩角、魚塘角、圍墻角、陡坎交叉點(diǎn)等明顯地物。內(nèi)業(yè)將外業(yè)實(shí)測點(diǎn)位展繪，再在立體模型上找到外業(yè)點(diǎn)位表示的地物進(jìn)行采集，然后與外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。平面精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

隨機(jī)實(shí)測高程點(diǎn)58個點(diǎn)。內(nèi)業(yè)將外業(yè)實(shí)測點(diǎn)位展繪，再在立體模型上同樣平面位置采集高程數(shù)據(jù)，然后與外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。高程精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

外業(yè)實(shí)測精度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)表2

7 應(yīng)用示范

(1)3D產(chǎn)品制作

應(yīng)用固定翼低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取重慶市墊江縣、豐都縣、潼南縣、永川區(qū)、涪陵區(qū)、巴南區(qū)、開縣等區(qū)域約2 000 km2的高分辨率低空航攝影像，并利用航攝成果制作1∶2 000數(shù)字線劃地形圖、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型等產(chǎn)品。

(2)搶險救災(zāi)

應(yīng)用固定翼低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)，對重慶市城口縣廟壩鎮(zhèn)堰塞湖滑坡體進(jìn)行了低空高分辨率航攝，通過影像快速拼接，展現(xiàn)堰塞湖滑坡災(zāi)害現(xiàn)狀，為搶險提供及時、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)地理信息。

(3)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與防治

應(yīng)用固定翼低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)，對三峽庫區(qū)的重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行低空航攝，通過對不同時期的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換檢測，并計(jì)算其滑動量和滑坡體，為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)監(jiān)測與防治提供實(shí)時監(jiān)測資料。

(4)地理國情監(jiān)測

應(yīng)用固定翼低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)定期對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)航攝，利用獲取的多期影像資料對擬監(jiān)測方面(如交通、房屋、植被等)進(jìn)行變化統(tǒng)計(jì)分析，為領(lǐng)導(dǎo)管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

(5)工程建設(shè)項(xiàng)目管理

在重慶市悅來國際會展中心超大型工程項(xiàng)目的建設(shè)過程中，應(yīng)用固定翼低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取工程項(xiàng)目的不同時期建設(shè)場景，結(jié)合工程進(jìn)度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超大型工程項(xiàng)目的建設(shè)管理。

(6)與三維仿真技術(shù)結(jié)合

應(yīng)用固定翼低空無人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取高分辨率影像，結(jié)合三維仿真技術(shù)，進(jìn)行三維建模，直觀的展現(xiàn)開發(fā)區(qū)地物地貌；同時還可以利用地形三維進(jìn)行輔助選址、場平設(shè)計(jì)與土石方量計(jì)算，為城市規(guī)劃管理、招商引資等提供服務(wù)。

8 結(jié)論及建議

在重慶這種地理、氣候均具有特殊性的區(qū)域，常規(guī)航空攝影和衛(wèi)星遙感均難以實(shí)施。而固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有機(jī)動、靈活、低成本等特點(diǎn)，將是獲取地理信息數(shù)據(jù)的一種有效方式。

雖然固定翼無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，但是還有待改進(jìn)和改善。如進(jìn)一步提高已裝配的IMU_GPS精度，以更充分發(fā)揮其輔助空中三角測量的作用和成圖精度；研發(fā)并裝配高精度、高穩(wěn)定度、輕小型的三軸慣性穩(wěn)定平臺，以提高成像質(zhì)量；研發(fā)并裝配輕型、大幅面的量測型數(shù)碼相機(jī)，以增大像幅；進(jìn)一步提高無人機(jī)的操控性、機(jī)體的抗摔性和高度測量的敏感性，以提高安全性能；以及在數(shù)據(jù)處理過程中，選擇適宜的軟件以有效提高生產(chǎn)效率等。

[1] 胡開全，張俊前.固定翼無人機(jī)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.

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武漢市地理市情監(jiān)測啟動暨2012年測繪地理信息成果發(fā)布會隆重召開

(本刊訊)2012年12月27日，武漢市地理市情監(jiān)測啟動暨2012年測繪地理信息成果發(fā)布會在武漢市政府禮堂101會議室隆重召開。會議由武漢市政府王繼連副秘書長主持，胡立山副市長出席并講話。武漢大學(xué)李斐副校長，武漢市政協(xié)副主席、武漢市國土規(guī)劃局張文彤局長，湖北省測繪局柯美忠副局長出席了此次會議。武漢市政府有關(guān)部門和各區(qū)政府領(lǐng)導(dǎo)參加了會議。

會上，武漢市國土規(guī)劃局總工汪普查宣讀了武漢市政府辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)的《武漢市地理市情監(jiān)測工作方案》(以下簡稱工作方案)。工作方案明確了武漢市開展地理市情監(jiān)測工作的指導(dǎo)思想與總體目標(biāo)、組織模式和工作內(nèi)容以及工作安排和具體要求。隨后，胡立山、李斐、張文彤、柯美忠等領(lǐng)導(dǎo)同志共同為武漢大學(xué)與武漢市測繪研究院“地理國情監(jiān)測聯(lián)合研究中心”揭牌。市國土規(guī)劃局張文彤局長和省測繪局柯美忠副局長分別在講話中闡明了從國家到地方的各級政府對地理國(市)情監(jiān)測工作重視程度以及基礎(chǔ)測繪和地理國(市)情監(jiān)測的重要關(guān)系。胡立山副市長最后發(fā)表講話。他強(qiáng)調(diào)了開展地理市情工作的重要性和必要性，提出了“以實(shí)施基礎(chǔ)測繪規(guī)劃為重點(diǎn)，夯實(shí)地理市情監(jiān)測工作基礎(chǔ)；以創(chuàng)新市情監(jiān)測手段為抓手，提升測繪地理信息保障能力；以實(shí)現(xiàn)資源共建共享為保障，健全地理市情監(jiān)測工作機(jī)制”的要求。同時指出，武漢市政府各部門應(yīng)強(qiáng)化責(zé)任意識，落實(shí)責(zé)任分工，按照工作方案的部署，本著“建設(shè)同參與，成果共分享”的原則，建立順暢高效的工作機(jī)制，確保各項(xiàng)工作落到實(shí)處。

最后，與會領(lǐng)導(dǎo)們向參會代表贈送了《2012武漢市地理信息藍(lán)皮書》，發(fā)布了年度測繪地理信息成果。此次會議也標(biāo)志著武漢市地理市情監(jiān)測工作正式啟動。

(武漢市測繪研究院 張夏陽供稿)

Research on app lications of fixed-w ing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions

Wang Li，Hu Kaiquan
(Chongqing Survey Institute，400020)

This paper principally elaborated on the application of fixed-wing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions.We have done research on the following aspects:appropriate UAV type selection when used inmountain region，image capturing，inertial aided aerotriangulation，3D products Manufacturing and application demonstration，etc.Besides，in accordance with the needs of practical application，we make recommendations for improvement of fixedwing UAV low altitude remote sensing system.

fixed-wing UAV；low altitude remote sensing；mountain region；pixel factory；inertial aided

1 6 7 2-8 2 6 2(2 0 1 3)01-5-04

P 2 3 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2012—09—01

王莉(1976—)，女，高級工程師，主要從事信息工程建設(shè)及質(zhì)量管理

國家科技支撐計(jì)劃子課題：(2011BAH12B07-03)