無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用

陶丹丹， 曾 兔

(江西省煤田地質(zhì)局測繪大隊(duì)，江西 南昌 330000)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是在無人機(jī)技術(shù)、GPS定位技術(shù)、通訊技術(shù)、傾斜航空攝影技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興測繪技術(shù)，與傳統(tǒng)的攝影技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，因其具有成圖快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于我國地形圖測繪、建筑工程測量、水利水電測量等領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)概況

傾斜攝影技術(shù)發(fā)展于傳統(tǒng)的有人飛機(jī)上，早期并未應(yīng)用于測繪領(lǐng)域，僅以采集建筑立面的紋理信息為主要目的。隨著圖像匹配技術(shù)和融合技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)逐漸應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪等方面。傾斜攝影測量技術(shù)的航攝系統(tǒng)一般由HM2200無人機(jī)、HO1300無人機(jī)、HO1600無人機(jī)搭配飛行，在無人機(jī)中裝載南方測繪傾斜數(shù)字航空攝影相機(jī)，配套安裝航攝計(jì)劃設(shè)計(jì)軟件、機(jī)載定位系統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)等。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用流程見圖1。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)工作流程示意

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)的攝影技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)能夠從多角度獲取攝影目標(biāo)物的影像，與正射影像相比，該技術(shù)能夠從多方位觀察目標(biāo)物，能夠快速的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物側(cè)面紋理信息的獲取，有效的彌補(bǔ)了正射影像僅從直射方向獲取目標(biāo)物信息的缺點(diǎn)，且該技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)信息更適合于建設(shè)三維數(shù)字城市等，降低了建設(shè)三維模型的成本；(2)實(shí)現(xiàn)了單張影像量測，借助相應(yīng)的處理軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單張影像中高度、角度、面積、長度、坡度等信息的獲??；(3)獲得的傾斜影像分辨率更高，影像色調(diào)、紋理更清晰，有助于更真實(shí)的還原目標(biāo)物的實(shí)際面貌；(4)與GIS技術(shù)數(shù)據(jù)相比，傾斜攝影技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)量小，便于網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，有助于推動(dòng)數(shù)據(jù)共享建設(shè)進(jìn)程；(5)簡單、高效生產(chǎn)DEM、DOM，該技術(shù)在數(shù)據(jù)采集過程中具有高的采集效率和精度，提高了生產(chǎn)DEM、DOM等的效率。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用

3.1 外業(yè)傾斜攝影航線設(shè)計(jì)

外業(yè)傾斜攝影航線設(shè)計(jì)是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測繪領(lǐng)域中應(yīng)用的基礎(chǔ)，在航線設(shè)計(jì)過程中，將無人機(jī)的飛行高度、分辨率要求等詳細(xì)信息標(biāo)注在設(shè)計(jì)圖中。本文以某測繪區(qū)域?yàn)槔韵蛑丿B度選擇70%，航向重疊度選擇75%。

3.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件及優(yōu)勢分析

本文所使用的數(shù)據(jù)處理軟件為SouthUAV空三軟件，該軟件具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：(1)該技術(shù)能夠提供在線自檢校功能；(2)實(shí)現(xiàn)了低空影像自動(dòng)空中三角控制平差處理等；(3)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、人工、自動(dòng)—人工三種建模方式；(4)可獲得精度高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型圖、空三加密成果等；(5)能夠高效的生成DEM、DOM等成果；(6)能夠融合多種軟件進(jìn)行配套使用，如CASS、JX-4、VirtuoZo等軟件，拓寬了影像應(yīng)用范圍；(7)顯著的提高了運(yùn)算速度。此外，該技術(shù)可以利用南方影像處理云平臺(tái)，使用“云”里的信息為客戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于云計(jì)算平臺(tái)資源的管理、硬件及應(yīng)用系統(tǒng)的性能和故障監(jiān)控。云服務(wù)提供：面向云服務(wù)消費(fèi)者，提供統(tǒng)一登陸界面和訪問；通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行整合，形成一個(gè)對(duì)外提供資源的池化管理(包括內(nèi)存池、服務(wù)池、儲(chǔ)存池等)，同時(shí)通過云平臺(tái)的管理，對(duì)外提供運(yùn)行環(huán)境等基礎(chǔ)服務(wù)；提供數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展現(xiàn)工具，實(shí)現(xiàn)“一鍵處理”，整合成三維成果，節(jié)約人力成本，大大提高作業(yè)效率。

3.3 地面GPS同步觀測

(1)地面GPS布設(shè)。為保證數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)和機(jī)載GPS/IMU系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)施，在測量范圍內(nèi)有利的區(qū)域布設(shè)GPS接收機(jī)，便于同步進(jìn)行GPS觀測并獲得相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)，在完成后對(duì)其進(jìn)行GPS解算，判斷其精度是否能夠滿足基本要求。

(2)GPS接收機(jī)與觀測。在完成GPS觀測站建設(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行同步數(shù)據(jù)的觀測，需要滿足一下幾點(diǎn)內(nèi)容：(1)GPS接收機(jī)采用雙頻儀器，且精度越高越好，采集數(shù)據(jù)間隔為1 s；(2)在觀測過程中要配備充足的電源，確保觀測過程中供電不間斷；(3)在無人機(jī)飛行前，需要進(jìn)行至少8 min的同步初始化測量后才能進(jìn)行飛行攝影；④無人機(jī)返回后，也要進(jìn)行至少8 min的靜態(tài)測量后才能結(jié)束本次測量工作。

3.4 POS數(shù)據(jù)處理

(1)文件處理。在無人機(jī)航空攝影過程中產(chǎn)生了大量的文件數(shù)據(jù)，包括了相機(jī)的曝光信息、GPS設(shè)站點(diǎn)的偽距坐標(biāo)、飛行時(shí)間信息等。因此，在文件數(shù)據(jù)處理過程中將無用數(shù)據(jù)剔除掉，即在無人機(jī)整個(gè)飛行過程中，對(duì)所記錄的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，將相機(jī)曝光時(shí)刻的Mark記錄與文件中的曝光記錄相對(duì)應(yīng)一致，為后期POS數(shù)據(jù)的處理奠定基礎(chǔ)。

(2)GPS數(shù)據(jù)處理。GPS數(shù)據(jù)的處理是實(shí)現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，將原始數(shù)據(jù)下載后進(jìn)行預(yù)處理工作，把原始數(shù)據(jù)的DAT文件轉(zhuǎn)換成為具有統(tǒng)一格式的O文件和N文件，將數(shù)據(jù)中的出發(fā)事件TXT文件分離出來，為后期開展GPS精確處理和Mark點(diǎn)內(nèi)插提供基礎(chǔ)。

3.5 傾斜攝影質(zhì)量控制

傾斜攝影質(zhì)量的控制是提高無人機(jī)傾斜攝影質(zhì)量的有效措施，主要包含了數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量控制和POS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制兩方面。

3.5.1 數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量控制包含了攝影時(shí)間控制、飛行質(zhì)量控制、影像質(zhì)量控制和補(bǔ)攝與重?cái)z等內(nèi)容。其中，攝影時(shí)間控制，即在攝影過程中要選擇合適的時(shí)間段，精確計(jì)算太陽高度角對(duì)影像攝影的影像作用，一般選擇10時(shí)至14時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的工作。飛行質(zhì)量控制，在不影響正常影像數(shù)據(jù)處理的前提下，旁向重疊度應(yīng)大于像片范圍的15%，所獲得的影像數(shù)據(jù)才能視為合格；航向重疊區(qū)域應(yīng)至少超過邊界一條基線，本文所舉實(shí)例的垂向重疊度為70%，航向重疊度為75%，滿足了基本要求；在無人機(jī)飛行過程中，旋偏角應(yīng)小于15°，在像片重疊區(qū)域的旋偏角應(yīng)小于25°。影像質(zhì)量控制是影響后期影像數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的決定因素，因此，在獲得影像后要檢查影像的反差是否適中，像片顏色的飽和程度，色調(diào)是否一致等，檢查像片的層次是否分明，分辨率能否達(dá)到設(shè)計(jì)分辨率要求等內(nèi)容。補(bǔ)攝與重?cái)z，在無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影過程中，難免出現(xiàn)攝影影像不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)漏洞等問題，對(duì)于已出現(xiàn)的漏洞或缺陷要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)攝或重?cái)z工作，且必須嚴(yán)格按照航線飛行設(shè)計(jì)進(jìn)行，長度要滿足區(qū)域網(wǎng)加密布點(diǎn)的要求；此外，在補(bǔ)攝與重?cái)z過程中使用同一類型的數(shù)字航攝儀，可以消除系統(tǒng)誤差。

3.5.2 POS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

POS數(shù)據(jù)質(zhì)量是影響傾斜攝影質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取后要及時(shí)檢查地面基站GPS數(shù)據(jù)是否存在異常，對(duì)于出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)及時(shí)查找原因并將其處理；及時(shí)檢查機(jī)載GPS數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，若存在，則需要記錄失鎖的時(shí)間段和區(qū)間，進(jìn)而判斷是否需要進(jìn)行補(bǔ)攝或重?cái)z；要檢查IMU數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對(duì)于不連續(xù)的數(shù)據(jù)要及時(shí)分析并處理；判斷測量精度是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于不符合要求的，需要重?cái)z。

4 結(jié)語

無人機(jī)傾斜技術(shù)在現(xiàn)代化測繪領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過大量社會(huì)實(shí)踐表明，該技術(shù)能夠滿足大比例尺地形圖測繪、建筑工程測量、水利水電工程測量等領(lǐng)域的精度要求，能夠滿足社會(huì)發(fā)展的基本需要。因此，可以進(jìn)行大規(guī)模推廣使用。本文以無人機(jī)攝影技術(shù)為研究對(duì)象，介紹了該技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用，旨在推動(dòng)該技術(shù)在測繪工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。