無(wú)控制點(diǎn)無(wú)人機(jī)影像DOM快速制作

劉 榮

（安徽省第一測(cè)繪院，安徽 合肥 230031）

近年來，無(wú)人機(jī)攝影傳感器的性能不斷提高，無(wú)控制點(diǎn)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)繪方法的弊端，增加野外測(cè)繪實(shí)效性。本文論述了如何運(yùn)用科學(xué)高效的無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)，借助攝影測(cè)量軟件，在確保符合DOM質(zhì)量要求下高效制作正攝影像圖。

1 基于無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)影像DOM快速制作流程

無(wú)人機(jī)就是一類無(wú)人駕駛的飛行器，飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)二者都是其自帶的，有著多樣化的優(yōu)勢(shì)特征：較低的飛行成本，較短的外業(yè)周期，較高的分辨率等，不斷應(yīng)用到不同行業(yè)以及領(lǐng)域中。無(wú)人機(jī)獲取的影像特別多，影像的像幅并不大，飛行軌跡并不規(guī)則，會(huì)出現(xiàn)偏離航線的情況，導(dǎo)致不同影像之間的重疊率存在較大的差異性。與此同時(shí)，非量測(cè)型的普通數(shù)碼相機(jī)被應(yīng)用其中，無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)不具有較高的穩(wěn)定性，鏡頭有著較大的畸變，導(dǎo)致影像內(nèi)部的幾何關(guān)系比穩(wěn)定系數(shù)不高，傳統(tǒng)測(cè)繪流程以及要點(diǎn)很難滿足現(xiàn)代化無(wú)人機(jī)影像處理的具體要求。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)急中必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲取高精度的測(cè)區(qū)正射影像、準(zhǔn)正射影像，需要在綜合把握基礎(chǔ)上從測(cè)區(qū)各方面實(shí)際出發(fā)，明確無(wú)人機(jī)影像DOM快速制作的整個(gè)流程，確保無(wú)人機(jī)安全、穩(wěn)定飛行的同時(shí)快速、精準(zhǔn)獲取對(duì)應(yīng)的影像圖，便于在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮效能作用。具體來說，測(cè)量人員要通過多樣化的路徑，在線上、線下二者銜接中科學(xué)收集測(cè)區(qū)各方面信息資料，根據(jù)影像圖制作的具體要求，選擇適宜的機(jī)型，在飛行檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)范化航攝設(shè)計(jì)，再借助無(wú)人機(jī)功能作用，實(shí)現(xiàn)基于低空的數(shù)碼航拍，快速獲取測(cè)區(qū)的原始影像，定向計(jì)算的同時(shí)構(gòu)建可行的三維密集點(diǎn)云，生成Mesh網(wǎng)模型，現(xiàn)場(chǎng)制作DEM及DOM影像圖，仔細(xì)檢查相關(guān)資料確認(rèn)正確后，可提交成果。

2 基于無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)外業(yè)航拍

2.1 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備參數(shù)、航攝設(shè)計(jì)二者是基于無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)外業(yè)航拍的關(guān)鍵所在，是保證無(wú)人機(jī)影像DOM快速制作質(zhì)量的必要基礎(chǔ)。以“測(cè)圖鷹X100航測(cè)遙感無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”為例，由多個(gè)元素組成，比如，電動(dòng)的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、小型的數(shù)碼航攝儀器，各具特征的同時(shí)發(fā)揮著多樣化功能作用，在細(xì)化把握基礎(chǔ)上明確無(wú)人機(jī)遙感傳感器的性能指標(biāo)參數(shù)。同時(shí)，測(cè)圖鷹X100航測(cè)遙感無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的傳感器類型為CCD，相機(jī)焦距：35 mm；有效像素：1 000萬(wàn)像素；單張片的大?。? 648×2 736像素；尺寸：1/1.7英寸。相應(yīng)地，表1是測(cè)圖鷹X100無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的性能指標(biāo)參數(shù)情況。

表1 測(cè)圖鷹X100無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的性能指標(biāo)參數(shù)表

2.2 航攝設(shè)計(jì)

2.2.1 明確航高、航飛

在航飛之前，測(cè)量人員要在應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)以及工具基礎(chǔ)上高效勘查測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，全面、仔細(xì)檢查現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)面，明確無(wú)人機(jī)起飛、降落的區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)沒有各類障礙物的同時(shí)從測(cè)區(qū)構(gòu)筑物、人工設(shè)施等方面入手，確定好起飛、降落的具體位置。在此基礎(chǔ)上，測(cè)量人員從高精度測(cè)量層面入手，明確無(wú)人機(jī)作用下的成圖比例尺，即1：500，地面上的分辨率為0.067 313 6 m/像素。測(cè)量人員要針對(duì)無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的地勢(shì)情況，結(jié)合我國(guó)在低空數(shù)字航空攝影方面提出的具體化要求明確飛行過程中的航高，確定為220 m，航向、旁向二者的重疊率都為80%，航帶為8條，航線間的距離為74 m。同時(shí)，測(cè)量人員要把控好無(wú)人機(jī)飛行的風(fēng)力，比如，如果測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)力不超過兩級(jí)，要采用側(cè)風(fēng)飛行的方法，堅(jiān)持逆風(fēng)起飛以及降落的原則，在航高、航飛確定基礎(chǔ)上明確飛行面積，飛行一個(gè)架次，飛行面積為0.467 5 km2，獲取的航飛影像不止一張，有120張，容量大小為3.5 GB。低空飛行任務(wù)結(jié)束以后，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)、照片，對(duì)航向與旁向重疊的情況，航線的彎曲程度、航線高差、航拍的漏洞等進(jìn)行系統(tǒng)化檢查，在去除隱患問題基礎(chǔ)上確保各方面指標(biāo)和實(shí)際情況吻合，確保有著清晰的影像，色調(diào)、反差、層次等適中。

2.2.2 無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角

利用像空間坐標(biāo)系相對(duì)于地面輔助坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系表示無(wú)人空中飛行的姿態(tài)角，假設(shè)兩個(gè)坐標(biāo)體系的原點(diǎn)在相同的位置，但方向不相同，在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)基礎(chǔ)上讓二者重合，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角便為姿態(tài)角，比如，航偏角、俯仰角等。坐標(biāo)原點(diǎn)為攝影中心，沿航線前進(jìn)的切線指向機(jī)頭方向?yàn)閄軸，垂直航線面的指向機(jī)身右方為Y軸，垂直XY平面指向機(jī)身上方為Z軸，無(wú)人機(jī)飛行中的姿態(tài)有三種情況。一是：繞Y軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角屬于橫滾角，即φ，機(jī)體向右滾動(dòng)為正，左滾動(dòng)為負(fù)；二是：繞X軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角屬于俯仰角，即ω，X軸正半軸在坐標(biāo)原點(diǎn)的水平上方，表明俯仰角為正；三是：繞Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角屬于航偏角，即κ，機(jī)頭左偏航為負(fù)，右偏航為正。同時(shí)，在表示姿態(tài)過程中，如果姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)順序不同，呈現(xiàn)的姿態(tài)方位也不會(huì)相同，可以利用矩陣表示每次轉(zhuǎn)動(dòng)，在三個(gè)姿態(tài)角相互作用中可以形成對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，總旋轉(zhuǎn)矩陣是單獨(dú)旋轉(zhuǎn)矩陣在一定旋轉(zhuǎn)順序作用下相乘構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)低空飛行過程中像空間與地面輔助坐標(biāo)系有效轉(zhuǎn)換，保證無(wú)人機(jī)作用下的姿態(tài)角科學(xué)化，便于從根本上優(yōu)化無(wú)人機(jī)作用下的航攝設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)。

3 影像定向、點(diǎn)云提取與多邊形網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

從某種層面來說，在無(wú)人機(jī)低空飛行中，影像拍攝的具體位置和設(shè)計(jì)的航線、飛行的姿態(tài)等是有機(jī)聯(lián)系的。測(cè)量人員要立足現(xiàn)代化的攝影、測(cè)量的具體要求、原理等，定向計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行中產(chǎn)生的120張影像，明確影像的具體位置、姿態(tài)角，借助Agisoft photoscan軟件，在多視圖三維構(gòu)建基礎(chǔ)上準(zhǔn)確計(jì)算影像的相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，以參數(shù)為中心，明確對(duì)應(yīng)的航線，每張航攝影像的具體航攝位置，快速、準(zhǔn)確定位航線拍攝的具體位置，深化整合獲取的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，提取基于坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)，和一系列三維密集點(diǎn)云信息數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化匹配，每平方米的點(diǎn)密度為13.793 5點(diǎn)。隨后，圍繞帶坐標(biāo)信息的三維密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速重構(gòu)目標(biāo)的多邊形網(wǎng)格模型，重構(gòu)各類數(shù)據(jù)，比如，線、體、空間，展示航攝區(qū)域事物真實(shí)的形態(tài)特性，創(chuàng)建不規(guī)則形體以及容易觀察的著色圖像，借助數(shù)碼影像，呈現(xiàn)精細(xì)化的彩色紋理。

4 快速制作DEM與DOM，檢查影像圖精準(zhǔn)度

無(wú)人機(jī)在多層面功能作用發(fā)揮中數(shù)字化的DEM高程模型順利生成，生成像素的分辨率為0.272 7 m，能夠客觀呈現(xiàn)測(cè)區(qū)地面高程情況，為測(cè)區(qū)地面相關(guān)工作的高效展開提供重要的參考數(shù)據(jù)，綜合剖析測(cè)區(qū)的地形、坡度、地貌等。在此基礎(chǔ)上，無(wú)人機(jī)快速制作的DOM影像圖比例尺為1：500，直觀、形象、生動(dòng)，有著較高的精準(zhǔn)度，可以作用到測(cè)區(qū)自然資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等層面，高效開展測(cè)區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)等工作。在此過程中，無(wú)人機(jī)快速制作下的DOM影像質(zhì)量會(huì)受到多方面因素影響，要從野外無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取層面入手，根據(jù)無(wú)人機(jī)快速制作影像圖的具體要求，從不同層面仔細(xì)檢查DOM影像圖的精準(zhǔn)程度，看其是否與測(cè)區(qū)各方面實(shí)際情況吻合。在檢查精準(zhǔn)度過程中，測(cè)量人員可以將影像疊加這一檢查方法科學(xué)應(yīng)用其中，將已有的矢量文件以及正射影像圖進(jìn)行合理化套合疊加檢查，深入把握制作的DOM影像圖，在運(yùn)用技術(shù)手段過程中進(jìn)行針對(duì)性處理，促使作用到實(shí)踐中的DOM影像圖有著較高的分辨率，亮度、對(duì)比度且都在規(guī)定范圍內(nèi)，不存在紋理斷裂情況，也沒有重影出現(xiàn)，包括云影、噪聲這些缺陷，避免野外作業(yè)中重復(fù)拍攝，提高野外測(cè)量的質(zhì)量以及效益。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)特征明顯，已被廣泛應(yīng)用到民用、軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)、測(cè)繪測(cè)量、城市管理等領(lǐng)域，通過無(wú)人機(jī)影像DOM快速制作，對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)化編輯、加密，在無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、獲取過程中縮短處理數(shù)據(jù)的周期，提升數(shù)據(jù)的真實(shí)性、全面性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的外業(yè)測(cè)繪，以最小化的成本實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益。