基于無(wú)人機(jī)遙感的高分辨率影像快速獲取研究

黃日娟+梅樹紅+陸向明

摘要：CORS和無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)相結(jié)合，利用CORS系統(tǒng)測(cè)量攝區(qū)像控點(diǎn)，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)影像進(jìn)行幾何校正，生成高精度、高分辨率正射影像圖。該方法經(jīng)驗(yàn)證是一種便捷的高分辨率影像獲取的技術(shù)方法，極大地?cái)U(kuò)大了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：CORS無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在高速發(fā)展的信息時(shí)代，如何快速獲取地理空間數(shù)據(jù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，以人造衛(wèi)星、大飛機(jī)等為平臺(tái)的航天航空攝影測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是受氣候、天氣、機(jī)場(chǎng)等因素影響巨大，尤其是在廣西，全年的有效作業(yè)時(shí)間少，即使是利用衛(wèi)星進(jìn)行攝影測(cè)量，周期也比較長(zhǎng)，無(wú)法滿足影像應(yīng)急需求。而運(yùn)用無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)的低空遙感方法機(jī)動(dòng)靈活，受外界因素的制約較小，能快速獲取空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析。同時(shí)無(wú)人機(jī)遙感具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、高時(shí)效、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和航攝的重要補(bǔ)充。而將CORS系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，為提高無(wú)人機(jī)遙感精度和后期數(shù)據(jù)處理中提供了更好的保障。

1試驗(yàn)區(qū)概況

此次實(shí)驗(yàn)區(qū)位于南寧市郊區(qū)北面，面積約80畝，準(zhǔn)備進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。片區(qū)是已經(jīng)進(jìn)行過(guò)土地平整的耕地片區(qū)，地形起伏不大，有一條近5米的河流沿地塊西面、北面和東面流過(guò)，地塊四周周邊回填造路，路面寬約3米，道路同時(shí)又是防洪堤壩，以防河流漲水時(shí)對(duì)片區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物造成影響。測(cè)區(qū)內(nèi)有菜地、果園、魚塘和管理用房等。為協(xié)助業(yè)主合理規(guī)劃試驗(yàn)區(qū)的土地，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、提高土地集約利用效率，決定利用最高效的方式對(duì)試驗(yàn)區(qū)開展航拍，獲取試驗(yàn)區(qū)高分辨率影像。

2 CORS和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)特點(diǎn)

2.1 CORS系統(tǒng)

CORS系統(tǒng)，即利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）。具體指利用地面布設(shè)的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站組成GPS連續(xù)運(yùn)行參考站，綜合利用各個(gè)基站的觀測(cè)信息，通過(guò)建立精確的誤差修正模型，通過(guò)實(shí)時(shí)發(fā)送RTCM差分改正數(shù)，修正用戶的觀測(cè)值精度，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。廣西連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱：GXCORS）是利用現(xiàn)代衛(wèi)星定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通訊等技術(shù)進(jìn)行多方位、高深度集成的先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)。它可以全自動(dòng)、全天候、實(shí)時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的高精度三維坐標(biāo)和時(shí)間信息，是廣西全區(qū)實(shí)現(xiàn)自治區(qū)現(xiàn)代化管理、城市現(xiàn)代化管理、數(shù)字廣西建設(shè)、數(shù)字城市建設(shè)等不可缺少的重要組成部分。GXCORS的建成是以GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測(cè)技術(shù)為主，并能兼容GLONASS系統(tǒng)，滿足廣西全區(qū)基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土規(guī)劃、土地管理、工程建設(shè)、形變監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、港口管理、公共安全等方面對(duì)定位導(dǎo)航服務(wù)的需要。試驗(yàn)區(qū)坐落在GXCORS服務(wù)區(qū)域內(nèi)，此次是利用GXCORS定位服務(wù)功能進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)內(nèi)像控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。

2.2無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)，則是利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專用化等作業(yè)特點(diǎn)，快速獲取空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。

此次實(shí)驗(yàn)采用的無(wú)人機(jī)設(shè)備是大疆精靈2代，其通過(guò)陀螺儀、加速計(jì)、GPS 位置、方向傳感器、高度傳感器等進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)和控制，有效穩(wěn)定了飛行姿態(tài)。利用3軸云臺(tái)搭載小相機(jī)，可控制俯仰和滾轉(zhuǎn)的相機(jī)云臺(tái)帶陀螺自穩(wěn)功能，能夠進(jìn)行低空影像拍攝。

3 CORS和無(wú)人機(jī)結(jié)合作業(yè)流程

將CORS系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，作為一種便捷的獲取高分辨率影像的技術(shù)方法，具體操作方法流程有以下方面。

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域的原始影像獲取

選擇實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)適合起飛的較平坦的地方作為無(wú)人機(jī)起飛降落的大本營(yíng)，基于谷歌地圖對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分析，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)地形及航飛范圍進(jìn)行航線規(guī)劃。由于此次試驗(yàn)區(qū)地處郊區(qū)農(nóng)村，范圍較小，在谷歌地圖上沒(méi)有縮略圖可以利用，因此根據(jù)測(cè)區(qū)情況，首先進(jìn)行了兩次試飛，兩次的航線在系統(tǒng)中形成后才對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的航線規(guī)劃，此次試驗(yàn)規(guī)劃航線數(shù)10條，每條航線30張影像。由于試驗(yàn)區(qū)范圍形狀不規(guī)則，而且周邊有河流，為了保證無(wú)人機(jī)安全，對(duì)試驗(yàn)區(qū)采用了不規(guī)則航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，保證試驗(yàn)區(qū)內(nèi)100%航攝覆蓋。測(cè)區(qū)是農(nóng)作區(qū)，不涉及到人員的安全問(wèn)題。

3.2 攝區(qū)內(nèi)像控點(diǎn)坐標(biāo)采集及處理

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)大小和地形特點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)像控點(diǎn)分布的要求，該項(xiàng)目利用GXCORS系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)像控點(diǎn)采集。儀器采用海星達(dá)IRTK2S三星雙頻GPS流動(dòng)站一套。首先，建立項(xiàng)目和坐標(biāo)系統(tǒng)管理，坐標(biāo)系統(tǒng)采用國(guó)家2000大地坐標(biāo)系，投影為中央子午線108度三度帶高斯投影，高程采用1956黃海高程系統(tǒng)。用藍(lán)牙技術(shù)連接手簿和接收機(jī)，通過(guò)GPRS接入GXCORS。RTK采樣間隔為1秒，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)歷元不少于10個(gè)。在像控點(diǎn)測(cè)量前，對(duì)測(cè)區(qū)附近的高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，平面和高程較差均滿足要求。

像控點(diǎn)選擇實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)明顯的屋頂角點(diǎn)、道路交叉口和田埂交叉點(diǎn)，實(shí)測(cè)這些特征點(diǎn)的精確坐標(biāo)及高程，選擇其中20個(gè)作為影像糾正控制點(diǎn)，50個(gè)作為檢查點(diǎn)。整個(gè)項(xiàng)目的航飛及像控采集所用時(shí)間約為1.5小時(shí)，采集時(shí)間段為上午8點(diǎn)半至10點(diǎn)。測(cè)圖線劃圖效果如圖2所示。

3.3 影像處理

數(shù)據(jù)處理軟件是Pix4D，Pix4D是集全自動(dòng)、快速、專業(yè)精度為一體的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。無(wú)需人工干預(yù)，即可將數(shù)千張影像快速制作成專業(yè)的精確的二維地圖和三維模型。Pix4D數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1Pix4D軟件作業(yè)流程圖

影像處理分兩步進(jìn)行，首先是影像粗校正，主要是利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)原始影像進(jìn)行初步拼接和正射處理，得到粗校正影像，同時(shí)可以檢查航拍相片是否齊全可用；其次，利用采集的像控點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)影像進(jìn)行進(jìn)一步糾正，對(duì)精糾正影像進(jìn)行重采樣得到具有正確坐標(biāo)的高精度影像。

最終輸出的成果有數(shù)字表面模型及正射影像，柵格數(shù)字表面模型（DSM）最終保存為GEOTIFF文件，可選擇生成合并瓦片形式，即生成一個(gè)融合的大文件，也可以生成分塊的瓦片形式。正射影像圖可以生成GeoTiff格式。正射影像成果如圖3所示。

圖2 線劃圖局部成圖 圖3局部正射影像

軟件最終還提供生成谷歌地圖瓦片和KML文件，瓦片和LML文件可以在GoogleMaps中顯示生成的影像。

軟件最終還生成三維模型成果，用正射影像、DSM生成OBJ格式文件。（在三維建模時(shí)使用，可以在3DMAX中打開）三維效果如圖4所示。

圖4 三維地表模型

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)的航攝規(guī)模、精度以及其作業(yè)模式非常適合較小區(qū)域，其成果與傳統(tǒng)的航攝成果相比較，具有分辨率高、作業(yè)效率高、周期短、輕便靈活、突破云霧天氣影響等優(yōu)勢(shì)，采用先進(jìn)的處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，成果更加豐富、直觀。結(jié)合GXCORS進(jìn)行作業(yè)，充分利用CORS具有連續(xù)運(yùn)行、坐標(biāo)統(tǒng)一、高精度、覆蓋廣和不受天氣影響等特點(diǎn)，CORS輔助采集地面控制點(diǎn)有效彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)硬件設(shè)備的缺陷引起的位置精度不足，為后期數(shù)據(jù)精糾正處理提供精準(zhǔn)的像控點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)采集到最終成果生成僅用了一天半時(shí)間，相對(duì)以往的航空攝影測(cè)量效率有很大的提高。

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