基于低空遙感的無人機(jī)航片獲取與處理

周 輝，王旭東，趙青蘭

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

基于低空遙感的無人機(jī)航片獲取與處理

周 輝，王旭東，趙青蘭

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

以無人機(jī)為平臺的低空遙感是衛(wèi)星遙感的有力補(bǔ)充，快速獲取并批量處理航拍影像，最大程度體現(xiàn)低空遙感數(shù)據(jù)的高分辨率和高時效性，是當(dāng)前亟需解決的問題。從低空遙感的角度，介紹了無人機(jī)航拍影像的獲取方法，并以渭河西安段無人機(jī)航拍影像為數(shù)據(jù)源，介紹了航拍數(shù)據(jù)的后期處理及專題圖制作。由于無人機(jī)航拍獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠、分辨率高、時效性強(qiáng)，因此在災(zāi)害應(yīng)急、災(zāi)情調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

低空遙感；航片；影像處理

低空遙感多采用無人機(jī)方式進(jìn)行拍攝，拍攝投入成本相對低廉，搭載設(shè)備一般采用定焦的單反相機(jī)或者像素較高的卡片機(jī)，采用GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位，快速獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)精度取決于飛行高度和飛行姿態(tài)控制。無人機(jī)可在云下低空飛行，不受云層遮擋影響，是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不可缺少的補(bǔ)充。目前低空遙感數(shù)據(jù)多被直接應(yīng)用于災(zāi)情調(diào)查、應(yīng)急指揮等方面。

低空遙感航拍數(shù)據(jù)的瓶頸主要是影像邊緣變形嚴(yán)重，誤差較大。另外，無人機(jī)飛行姿態(tài)控制受近地面空氣對流和風(fēng)力影響較大，造成航片畸變嚴(yán)重，給后期數(shù)據(jù)處理帶來困難。在應(yīng)急服務(wù)中，對無人機(jī)航片的后期處理在時間和效率有較高要求，如何快速處理數(shù)以百計的航片，在最短時間內(nèi)將處理結(jié)果投入到應(yīng)急服務(wù)當(dāng)中，是低空遙感航拍亟需解決的問題。從低空遙感的角度，介紹了無人機(jī)航拍影像的獲取方法，并以渭河西安段無人機(jī)航拍影像為數(shù)據(jù)源，介紹了航拍數(shù)據(jù)的后期處理及專題圖制作。

1 無人機(jī)航片影像獲取

1.1 無人機(jī)航拍平臺構(gòu)成

無人機(jī)航拍平臺由空中飛行系統(tǒng)和地面支撐系統(tǒng)組成?？罩酗w行系統(tǒng)包括飛行自動控制系統(tǒng)、無線通訊感應(yīng)系統(tǒng)和無人機(jī)；地面支撐系統(tǒng)包括飛行控制系統(tǒng)、航線規(guī)劃系統(tǒng)、無線傳輸指令收發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)?？罩酗w行系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)無人機(jī)按照既定航線飛行和按照指令進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，無線通訊感應(yīng)系統(tǒng)將指令上傳到飛行控制器上，并且負(fù)責(zé)將無人機(jī)各項飛行參數(shù)傳回地面；地面支撐系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)飛行航線的設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)整，無人機(jī)的實時控制，飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)(海拔、速度等)的實時接收。飛行數(shù)據(jù)通過無線傳輸通道傳回地面控制子系統(tǒng)，地面工作人員可在終端監(jiān)控到飛機(jī)航線、與下一個航點的距離、飛行速度、飛行高度、高度變化率等狀態(tài)數(shù)據(jù)。如在飛行過程中遇到突發(fā)情況，地面控制人員可通過無線通訊系統(tǒng)實時向飛行自動控制系統(tǒng)發(fā)送改變航線、即時返回起始點、臨時迫降等指令。飛機(jī)完成既定航線并返回起始點進(jìn)入視距范圍后，由地面飛控手切換為手動控制，實現(xiàn)安全降落(傘降或者滑降視場地情況而定)。

1.2 航拍影像獲取過程

以渭河中游西安段為航拍區(qū)域為例，航拍區(qū)域西起渭河機(jī)場2號橋，東至涇渭分明點，沿渭河兩岸設(shè)置2條航線，航線單向26 km，無人機(jī)起降位置位于渭河北岸渭河電廠附近，飛機(jī)時速60 km/h,飛行高度300 m，航拍時長50 min，預(yù)設(shè)相機(jī)拍攝間隔時間為4 s，航向重疊率60%，旁向重疊率40%，共獲取圖片476張，圖像分辨率達(dá)到亞米級。

選定天氣狀況良好、風(fēng)力不大的時段，按照預(yù)定航線飛行，數(shù)碼相機(jī)定焦無窮遠(yuǎn)，避免自動變焦造成影像模糊。由于無人機(jī)載荷有限，且風(fēng)力在可承受范圍內(nèi)，并沒有額外增加穩(wěn)定相機(jī)鏡頭的裝置，只能在飛行準(zhǔn)備工作中，做好無人機(jī)前后配重，使得相機(jī)鏡頭方向始終垂直于地面，并且固定好相機(jī)位置，防止飛行過程中相機(jī)偏移。飛行中可通過調(diào)整飛行姿態(tài)來改變相機(jī)的垂直度。此外，數(shù)碼相機(jī)拍攝量較大，數(shù)據(jù)存儲無法實時傳回地面，只能保存在大容量存儲卡中。在起飛準(zhǔn)備過程中，固定好相機(jī)位置，盡量保持相機(jī)鏡頭垂直于地面，設(shè)置好相機(jī)分辨率，確保存儲卡空間足夠，保證相機(jī)電池電量足夠完成本次航拍。在地面控制系統(tǒng)中，預(yù)設(shè)相機(jī)拍攝時間間隔為4 s，拍攝時間間隔可在飛行過程中視風(fēng)向變化做出調(diào)整，順風(fēng)時可減小時間間隔，逆風(fēng)時可增大時間間隔。飛機(jī)由手動控制起飛，地面控制系統(tǒng)將預(yù)設(shè)好的航線通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)給無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，飛行狀態(tài)穩(wěn)定后，切換為自動控制，無人機(jī)進(jìn)入自動控制模式，按照既定航線飛行。飛行過程中，相機(jī)會按照預(yù)定的時間間隔定時拍攝，并將圖像自動保存在存儲卡上。

2 航拍影像后期處理

影像的后期處理包括色彩平衡、自動拼接、手動拼接、影像手動配準(zhǔn)、添加投影、裁剪、航拍合成圖出圖、專題圖制作等。

2.1 影像色彩平衡

造成影像顏色有差異的原因主要有：無人機(jī)飛行高度的實時變化、順風(fēng)和逆風(fēng)時由于飛行姿態(tài)導(dǎo)致的相機(jī)鏡頭和地面垂直度的實時變化、去程和返程時太陽光線入射角度發(fā)生改變等。

2.2 影像拼接

自動拼接的原理是通過相鄰影像之間的匹配，獲得大量同名點，同名點經(jīng)過自動測算后，即可快速拼接出相鄰影像，在航向重疊率和旁向重疊率都滿足條件的情況下，可進(jìn)行批量拼接，這種快速拼接出圖效率較高，適用于災(zāi)情調(diào)查、應(yīng)急指揮等對時效性要求較高的情況。航向和旁向重疊率如果不滿足條件，將無法完成拼接或者拼接出現(xiàn)較大誤差?？焖倨唇拥膯栴}集中表現(xiàn)在影像接邊處變形嚴(yán)重，尤其是拼接后的影像邊緣處，存在幾何級數(shù)變形。部分影像由于變形較大，若進(jìn)行自動拼接會造成系統(tǒng)性誤差，需要進(jìn)行手動拼接。

2.3 影像手動配準(zhǔn)和校正

(1)利用地面控制點配準(zhǔn)。在渭河野外調(diào)查控制點中找到典型地物點且在本次航拍區(qū)域內(nèi)，根據(jù)控制點坐標(biāo)，對拼接后的影像進(jìn)行手動配準(zhǔn)，添加投影，由于航拍區(qū)域是典型條帶狀區(qū)域，這些控制點數(shù)量有限，不能均勻分布在條帶區(qū)域內(nèi)，使得配準(zhǔn)誤差真實存在。

(2)利用GoogleEarth影像進(jìn)行粗校正。在GoogleEarth上找到典型不變地物，根據(jù)其坐標(biāo)，訂正配準(zhǔn)后的航拍影像圖，提高其精度。

2.4 影像專題圖合成

由于缺少和本次航拍區(qū)域時間匹配較好且準(zhǔn)確率較高的地形圖作為參考，也無足夠的地面控制點進(jìn)行精度驗證，并且航拍區(qū)域為條帶狀，使得對拼接后的影像進(jìn)行空中三角測量和生成正射影像變得難度極大。因此，影像后期處理的重心集中在典型區(qū)域的航拍影像合成圖、渭河河道水情航拍合成圖、涇渭分明點航拍合成圖、渭河大橋及兩岸土地利用現(xiàn)狀圖等專題圖的制作。

2.5 精度驗證

利用GoogleEarth中與其時相最接近的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，驗證本次航拍影像合成圖的坐標(biāo)精度，由于航拍區(qū)域的條帶狀特性造成的邊緣變形客觀存在，航拍區(qū)域邊緣的坐標(biāo)精度明顯低于中心區(qū)域，渭河河道所在的中心區(qū)域坐標(biāo)精度基本滿足應(yīng)用需求。航拍合成影像圖的空間分辨率超過GoogleEarth的，達(dá)到亞米級。

3 結(jié)語

使用無人機(jī)進(jìn)行低空遙感航拍，準(zhǔn)備過程復(fù)雜，飛行計劃縝密，后期數(shù)據(jù)處理繁瑣，但獲取的數(shù)據(jù)可靠，分辨率和時效性高，低空航拍數(shù)據(jù)是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的有力補(bǔ)充，在災(zāi)害應(yīng)急、災(zāi)情調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。無人機(jī)低空遙感的數(shù)據(jù)精度取決于相機(jī)的穩(wěn)定與否和無人機(jī)飛行姿態(tài)的控制等方面，可考慮為搭載設(shè)備安裝云臺，以克服因飛行姿態(tài)不穩(wěn)定造成的鏡頭搖擺。

周輝，王旭東，趙青蘭.基于低空遙感的無人機(jī)航片獲取與處理 [J].陜西氣象，2014(6)：43-45.

1006-4354(2014)06-0043-03

2014-06-26

周輝(1979—)，男，漢族，山東金鄉(xiāng)人，學(xué)士，工程師，從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用工作。

P407.8

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