低成本無人機遙感圖像獲取及后續(xù)處理技術(shù)

胡朝暉

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院圖文信息中心，重慶401331）

0 引言

小型無人機特別是微型無人機 （翼展寬度＜1.5m）具有不受場地限制、不必申請空域（國家對1 000米以下的空域不實行管制）和平臺構(gòu)建、維護以及作業(yè)成本極低的優(yōu)點，裝配數(shù)碼相機以后可以作為簡單的可見光遙感系統(tǒng)使用。

無人機遙感具有如下的好處：（1）只要天氣條件允許均可隨時飛行；（2）實時獲取影像資料；（3）可以實現(xiàn)低成本影像獲??；（4）可以作為衛(wèi)星遙感和有人機遙感的有益補充，在小區(qū)域、低空領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢。但是由于載荷的限制，相機無法安裝三軸的自穩(wěn)定云臺，因此遙感圖像受姿態(tài)影響很嚴重。飛行器在飛行的過程中，姿態(tài)(偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn))、高度、速度等因素不斷變化，勢必會對地面目標的成像產(chǎn)生影響，發(fā)生畸變。

所獲得的地面遙感圖像主要有兩種應(yīng)用：一是確定地面的感興趣目標點的位置，這對于未知區(qū)域的可疑目標發(fā)現(xiàn)或作為炮兵的近距離火力校射都有用處；二是對地面做有重疊的連續(xù)拍攝，通過地面軟件處理生成大面積數(shù)字地圖。

1 微型無人機遙感硬件平臺構(gòu)成

1.1 無人機及遙控系統(tǒng)

無人機以EPO泡沫為材質(zhì)，其優(yōu)點是機身抗摔性強，能有效保護機身內(nèi)設(shè)備安全。動力驅(qū)動方式采用中段腰推式驅(qū)動，較前拉式驅(qū)動減少飛機墜落時螺旋槳及電機對地面人或物的損害程度。

遙控系統(tǒng)為國產(chǎn)天地飛8通道2.4G控制器和接收機，除了飛機常用的副翼、升降、方向、油門4個通道外，其他通道還用于飛機自駕時的幾種模式切換，包括手動遙控、姿態(tài)增穩(wěn)、定點盤旋、自動返航等。

1.2 遙感系統(tǒng)

遙感系統(tǒng)為無人機系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，其主要功能是利用地面上空的飛機、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的遙感器收集地面數(shù)據(jù)資料，并從中獲取信息，經(jīng)記錄、傳送、分析和判讀來識別地物。低空遙感系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）受天氣影響較小，作業(yè)方式靈活；（2）平臺建設(shè)與后期維護成本極低；（3）飛行高度較低，可以獲得大比例尺高精度影響，在較小區(qū)域內(nèi)獲取信息具有巨大優(yōu)勢；（4）對千米以下空域國家不實施管制，不必申請空域；（5）獲取的影像重疊率高，提高了后期處理影像的可靠性。

本文實驗中采用的系統(tǒng)是桂林飛宇FY-31AP，它是一款慣性姿態(tài)平衡儀系統(tǒng)和簡易自動駕駛儀，可用于固定翼飛機或者簡易三軸云臺。FY31AP硬件設(shè)備與其數(shù)傳電臺連接后，在GCS地面站軟件實現(xiàn)如下功能：

（1）自動平衡：FY-31AP可以在任何天氣情況下自動保持飛機的水平飛行姿態(tài)。

（2）航線飛行：連接GPS模塊后就可以實現(xiàn)按照設(shè)定的航點自動飛行，目前可以設(shè)定8個航點。

（3）自動返航：連接GPS模塊后可以切入自動返航模式，飛行器會保持當前的高度自動飛回返航點，到達目標點后盤旋飛行。

（4）自動盤旋：連接GPS模塊后可以切入定點盤旋模式，飛行器會保持當前的高度，以切入點為圓心盤旋飛行，盤旋半徑可以設(shè)定,默認半徑是80米。

（5）GCS地面站軟件：連接數(shù)傳電臺設(shè)備后，可以通過電腦端的地面站軟件設(shè)定飛行路徑、飛行參數(shù)，監(jiān)控和記錄飛行軌跡等。

（6）所有飛行記錄參數(shù)均以txt格式保存在電腦上，便于后期處理影像和回放飛行過程。

1.3 飛行作業(yè)方式

1.3.1 制作航線地圖并規(guī)劃航線

首先，利用Google earth地圖剪切制作需要拍攝區(qū)域的地圖并轉(zhuǎn)換為符合遙測系統(tǒng)使用的地圖文件。根據(jù)地圖規(guī)劃一個準確的航線設(shè)計，便于后期對拍攝所得的正投影照片進行分析和處理。一般來講，最佳航線規(guī)劃為“S”型，能確保所航拍的路徑無遺漏。

1.3.2 地面測試整套系統(tǒng)

航拍任務(wù)需要飛行系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)均正常工作才能完成，因此在起飛前確保無人機上天以后所有工作設(shè)備的可靠性，在起飛前一定要做好每一項功能的檢測。依次做好飛行系統(tǒng)的副翼、升降、方向舵、油門控制、自動平衡、自動返航、自動盤旋等飛行功能的檢查；遙測系統(tǒng)的控制范圍、周邊是否有過強干擾信號源、系統(tǒng)供電充足等。

1.3.3 獲取航拍照片

飛機通過滑跑起飛，將攝像機固定于飛機腹部正下方，設(shè)置為間隔5秒自動拍照一次。起飛后，手動將高度拉升至200米高度，通過自駕系統(tǒng)將飛機設(shè)置為定點盤旋模式，通過電腦設(shè)置其航拍所需要飛行高度和盤旋半徑。遙測系統(tǒng)將參數(shù)確認之后，將自動控制飛行進入預(yù)定高度和盤旋半徑。然后再通過預(yù)設(shè)航線功能，飛機將自動沿預(yù)設(shè)航線進行飛行。此時，位于飛機腹部的相機每間隔5秒將整個飛行過程中的航拍圖記錄下來。我們以某大學(xué)新校區(qū)為飛行航拍區(qū)，飛行記錄以及地面站控制效果如圖1。

圖1 飛行記錄以及地面站控制效果圖

2 遙感圖像處理

2.1 數(shù)據(jù)構(gòu)成

2.1.1 飛行記錄數(shù)據(jù)

FY31-AP的飛行記錄文件以txt文檔保存，記錄文件格式內(nèi)容如下：

……

#DATA1,1,10,1,2,1,,0,0,0,2936.9981,

10618.1054 ,85.91,52.2,589,60.48,302.9,223,3.1*

#DATA3,-2,13,1315,1731,1467,1450,0*

#DATA2,00,60,293,36,2937.0360,10618.0860,2936.9673,10617.9712,0,0,054658,110911,28,0,0,0,0*

……

從#DATA1第九個數(shù)據(jù)開始，其意義依次為：緯度、經(jīng)度、航向、時速、海拔高度、？、氣壓高度、目標距離、側(cè)偏距。

2.1.2 影像數(shù)據(jù)

提取照片影像數(shù)據(jù)生成時間和GPS時間，將所有照片影像在其航線上的GPS位置及飛行姿態(tài)信息用自己開發(fā)的軟件通過半自動化方式將其關(guān)聯(lián)，如圖2。

圖2 航拍照片顯示結(jié)果

2.2 幾何校正

雖然微小型無人機體積小，但其穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力較差。即使裝有自動駕儀與增穩(wěn)陀螺設(shè)備，但在拍照過程中還是會出現(xiàn)飛行姿態(tài)傾斜或者受風(fēng)影響而抖動，而相機本身也存在鏡頭的幾何畸變。這就要求首先對遙感圖像進行幾何校正。傳感遙感圖像的幾何校正利用最小二乘法，使用多項式作為變換函數(shù)進行幾何校正。對于地面相對平坦的情況，校正精度好。直接對像變形本身進行數(shù)學(xué)模擬，認為遙感圖像的幾何畸變可以看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、彎曲等基本變形的合成。因而校正前后圖像相應(yīng)點之間的坐標變換可以用一個適當?shù)亩囗検絹肀磉_[1]。圖3為航拍照片和幾何校正后的照片對比。

圖3 航拍照片幾何校正后的對比圖

最后，我們將4幅獨立的某大學(xué)校門的航拍圖校正后，通過PhotoShop CS3的PhotoMerge拼接在一起，組成完整的效果圖，如圖4（邊緣部分已剪去）。

圖4 航拍照片校正效果圖

3 結(jié)語

低成本無人機系統(tǒng)，以低成本、低空域、靈活機動的方式獲取清晰度較高的航拍照片。在地質(zhì)勘測、違法用地查處、市政設(shè)施觀察等領(lǐng)域有一定的使用價值，但后期大面積自動航拍圖像處理的開源軟件還不多，人工處理工作量較大。

后期還應(yīng)采用更穩(wěn)定的飛機模型作為載機以及具備自駕和控制相機快門的飛控系統(tǒng)，以提高航拍照片的正投影效果和重疊率，使后期的照片處理工作效率更高。

[1]趙鵬.微小型無人機遙感圖像應(yīng)用[J].火力與指揮控制,2009(34).

[2]王勇.機動飛行環(huán)境無人機航拍圖像拼接技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012(35).

[3]龐治年.無人機航拍圖像糾偏處理研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2009(27).

[4]洪字.無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2008(23).

[5]金偉.無人機遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息,2009(1).