無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在應(yīng)急保障中的應(yīng)用

張 潘，余代俊，索朗江村，許 馨

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在應(yīng)急保障中的應(yīng)用

張 潘1,2，余代俊1，索朗江村2，許 馨2

（1.成都理工大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用研究所，四川 成都 610059；2.西藏自治區(qū)測(cè)繪院，西藏 拉薩 850000）

無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速、成本低等特點(diǎn)，且能在高危地帶作業(yè)，已經(jīng)成為測(cè)繪應(yīng)急保障的重要手段。以樟木口岸應(yīng)急為例，介紹了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成以及影像獲取和處理的作業(yè)流程，并利用PixelGrid軟件對(duì)該方法進(jìn)行了論證，證明其具有一定的可行性。

無(wú)人機(jī)；影像處理；應(yīng)急

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間、飛行品質(zhì)上有了明顯的進(jìn)步，同時(shí)無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速、精細(xì)準(zhǔn)確和作業(yè)成本低廉的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害應(yīng)急、小城鎮(zhèn)及新農(nóng)村建設(shè)、國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)和困難地區(qū)測(cè)圖等方面。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)主要采用玻璃鋼及碳纖維復(fù)合材料制作而成，重量輕、強(qiáng)度大。它是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傳感器、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng)5部分組成（圖1）。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)架構(gòu)圖

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、天線、監(jiān)控軟件及供電系統(tǒng)組成。其主要任務(wù)是利用監(jiān)控軟件設(shè)置航線，利用GPS導(dǎo)航定位信號(hào)、加速度計(jì)及陀螺等飛行器的動(dòng)態(tài)信息，實(shí)時(shí)計(jì)算氣壓高度、PDOP值、衛(wèi)星顆數(shù)、空速、轉(zhuǎn)速及向下加速度等信息，使地面人員能及時(shí)掌握無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。飛控系統(tǒng)用于飛行控制和任務(wù)管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)、飛行航高、速度和航向的控制，同時(shí)將各種參數(shù)傳輸?shù)降孛嬲疽员惚O(jiān)控，無(wú)人機(jī)上采用單頻無(wú)差分GPS導(dǎo)航，其精度在±5 m。

2 影像獲取

無(wú)人機(jī)數(shù)碼航攝需要經(jīng)過(guò)航線設(shè)計(jì)、航測(cè)飛行、質(zhì)量檢查、補(bǔ)飛或重飛、像控測(cè)量等步驟，影像獲取流程如圖2所示。

圖2 影像獲取流程圖

3 航線設(shè)計(jì)

數(shù)碼攝影一般針對(duì)小區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，無(wú)需考慮地球曲率變化和非常準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息。在Google Earth上采取航攝區(qū)域的角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。

相對(duì)航高計(jì)算：航攝儀航高與焦距、單像元大小及分辨率有關(guān)，計(jì)算公式為：

H=分辨率×焦距/單像元大小其中，單像元大小、像幅和傳感器有關(guān)，在廠家出廠時(shí)已給定，計(jì)算公式為：

單像元大小=傳感器長(zhǎng)邊（短邊）大小/傳感器長(zhǎng)邊（短邊）像元個(gè)數(shù)

根據(jù)比例尺選擇合適的航向重疊及旁向重疊，并計(jì)算最低點(diǎn)的地面分辨率及最高點(diǎn)航向和旁向重疊度，以滿足測(cè)圖要求，攝區(qū)最高點(diǎn)重疊度計(jì)算公式為：

當(dāng)攝區(qū)最小地面分辨率超出成圖要求的分辨率或當(dāng)攝區(qū)最高點(diǎn)重疊度小于成圖要求時(shí)，必須更改地面分辨率，并對(duì)相對(duì)航高、最小地面分辨率和最高點(diǎn)重疊重新進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)攝區(qū)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差超過(guò)航高1/6時(shí)，應(yīng)設(shè)立攝影分區(qū)。

根據(jù)航測(cè)范圍、航高、航向重疊、旁向重疊、基線長(zhǎng)度及旁向間距，通過(guò)航線設(shè)計(jì)軟件，計(jì)算得到曝光點(diǎn)的坐標(biāo)。

1）航線間隔計(jì)算。航線間隔是兩張相片中心的橫向距離，計(jì)算公式為：

L間=(1-K)×P×R旁式中，K為旁向重疊；P為地面分辨率；R旁為旁向間距長(zhǎng)度。

2）基線長(zhǎng)計(jì)算。航向兩張相片中心的縱向間距，計(jì)算公式為：

L基=(1-A)×P×R航式中，A為航向重疊；P為地面分辨率；R航為航向間距長(zhǎng)度。

3）航攝飛行及質(zhì)量檢查。設(shè)計(jì)航線完成后，將所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上載到飛控系統(tǒng)，并對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行陀螺清零、水平設(shè)置、空速檢查、轉(zhuǎn)速檢查、GPS定位檢查、電池電量檢查及相機(jī)拍攝儲(chǔ)存檢查等操作。在獲取影像后，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，看影像是否發(fā)虛，是否被云霧覆蓋，命名是否正確，并將實(shí)際飛行坐標(biāo)與曝光點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，看是否有明顯偏離航線的照片，對(duì)不合格的影像做好記錄，進(jìn)行補(bǔ)飛或重飛。

4 影像處理

本文運(yùn)用PixelGrid軟件對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的圖像進(jìn)行快速處理，以獲得較準(zhǔn)確的高分辨率全覆蓋影像。首先進(jìn)行影像畸變差改正，利用POS數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)空三，在空三加密完成后提取影像中的特征點(diǎn)、特征線生成DEM；再利用生成的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字微分糾正得到測(cè)區(qū)單幅正射影像；最后運(yùn)用幾何方法定位拼接線，并進(jìn)行圖像拼接，得到攝區(qū)全景影像（圖3）。

圖3 影像處理流程圖

5 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在樟木應(yīng)急中的應(yīng)用

2015-04-25 14：11在尼泊爾發(fā)生8.1級(jí)地震，震中為博克拉。受地震影響，西藏樟木口岸附近震感強(qiáng)烈，引起部分房屋坍塌及道路損壞，同時(shí)由于地理位置原因，救災(zāi)工作難度很大。由于天氣原因，衛(wèi)星遙感系統(tǒng)難以實(shí)時(shí)獲取災(zāi)區(qū)影像，西藏自治區(qū)測(cè)繪局?jǐn)y帶兩 架無(wú)人機(jī)進(jìn)入災(zāi)區(qū)，為相關(guān)救災(zāi)部門(mén)快速提供災(zāi)區(qū)影像圖，為抗震救災(zāi)工作提供依據(jù)。此次航拍的相對(duì)航高為750 m，絕對(duì)航高為3 000 m，像元大小為6.4 um，焦距為24 mm，像幅大小為5 616 像元×3 744像元，影像分辨率為0.2 m，攝影基線長(zhǎng)為280 m，航線間隔為700 m， 圖4為災(zāi)區(qū)某地?zé)o人機(jī)航拍后制作的影像圖。

圖4 攝區(qū)全景圖

6 無(wú)人機(jī)其他應(yīng)用

1）森林防火。林業(yè)是全國(guó)生態(tài)建設(shè)主體，在保持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中有著不可或缺的作用，如何運(yùn)用高新技術(shù)對(duì)森林資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一項(xiàng)迫在眉睫的重要課題。無(wú)人機(jī)通過(guò)配備彩色CCD任務(wù)載荷和紅外探測(cè)任務(wù)載荷對(duì)地面火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，并將數(shù)據(jù)傳回地面，消防人員可在任何地方實(shí)時(shí)接收動(dòng)態(tài)圖像和數(shù)據(jù)，了解火災(zāi)情況，有效地組織人員進(jìn)行撲救。

2）地質(zhì)災(zāi)害勘察。我國(guó)地形地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家之一。隨著人們對(duì)地質(zhì)環(huán)境的強(qiáng)烈改造，使得地質(zhì)災(zāi)害加劇，尤其是滑坡、泥石流、地面坍塌等。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)通過(guò)獲取影像數(shù)據(jù)，快速制作DEM和DOM等，為災(zāi)情評(píng)估提供數(shù)據(jù)源，為政府決策提供依據(jù)，從而進(jìn)行有效的搶險(xiǎn)抗災(zāi)救援。

3）堰塞湖災(zāi)害評(píng)估。堰塞湖是在一定的地質(zhì)和地貌條件下，由于河谷岸坡在動(dòng)力地質(zhì)作用下迅速產(chǎn)生崩塌、滑坡、泥石流以及冰川、融雪活動(dòng)所產(chǎn)生的堆積物或火山噴發(fā)物等形成的自然堤壩橫向阻塞山谷、河谷或河床，導(dǎo)致上游段壅水而形成的湖泊。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)通過(guò)搭載的傳感器獲取高分辨率影像，建立三維動(dòng)態(tài)影像；再根據(jù)堰塞湖體的回水位置確定其高程，結(jié)合地形圖數(shù)據(jù)，計(jì)算壩體位置水深；然后通過(guò)壩體前后的有水和無(wú)水位置，確定壩體高度，從而計(jì)算出堰塞湖的體積。堰塞湖的流域面積可通過(guò)地形圖量算，再配合水文和氣象資料，計(jì)算有關(guān)匯流及水位上漲信息。

7 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)作為航空攝影測(cè)量的新型手段，能夠通過(guò)機(jī)載數(shù)碼相機(jī)快速獲取影像，但受自身?xiàng)l件限制，飛行穩(wěn)定性較差，導(dǎo)航精度不夠。PixelGrid軟件能進(jìn)行影像快速處理和快速生成正射影像，但其只適用于旋偏角小、重疊度穩(wěn)定的航線解算，對(duì)于旋偏角大、航線不穩(wěn)定、重疊度小的影像解算較為困難。特別在高原應(yīng)急時(shí)，由于受氣流、天氣影響及無(wú)人機(jī)的自身限制，還需進(jìn)一步尋求更好的數(shù)據(jù)解算方法，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。

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表4 不同衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與已知成果較差統(tǒng)計(jì)表/cm

3 結(jié) 語(yǔ)

從測(cè)試結(jié)果不難看出，區(qū)域北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)服務(wù)的內(nèi)、外符合精度均滿足《衛(wèi)星定位規(guī)范》的要求，單獨(dú)BDS指標(biāo)略遜于單獨(dú)GPS和BDS+GPS組合，但完全滿足要求，BDS+GPS的優(yōu)異表現(xiàn)，體現(xiàn)了多系統(tǒng)多模融合技術(shù)的先進(jìn)性。

隨著B(niǎo)DS的不斷發(fā)展和成熟，它將成為一個(gè)由35 顆衛(wèi)星、地面站和各類(lèi)用戶(hù)終端構(gòu)成的大型航天系統(tǒng)，從以衛(wèi)星為核心向以系統(tǒng)為核心，從面向行業(yè)用戶(hù)向面向大眾用戶(hù)轉(zhuǎn)型，開(kāi)啟我國(guó)航天事業(yè)的新征程，并將為維護(hù)我國(guó)國(guó)家安全、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)科技文化全面發(fā)展提供重要保障。

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第一作者簡(jiǎn)介：謝玉兵，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事大地測(cè)量GNSS應(yīng)用等工作。

P23

：B

：1672-4623（2016）11-0027-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.010

張潘，碩士，主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。

2015-06-01。

項(xiàng)目來(lái)源：西藏樟木口岸地震應(yīng)急。