無人機(jī)航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖應(yīng)用

李春鋒 金路

摘要：無人機(jī)早期主要應(yīng)用于軍事活動(dòng)中，隨著科技和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，其技術(shù)逐漸應(yīng)用于測繪大比例尺地形圖領(lǐng)域。無人機(jī)航攝具有簡便、經(jīng)濟(jì)、靈活等特點(diǎn)，將無人機(jī)技術(shù)與航空攝影測繪技術(shù)相結(jié)合，對(duì)我國測繪大比例尺地形圖具有相當(dāng)大的作用。本文論述了無人機(jī)航攝系統(tǒng)的構(gòu)成，通過航攝系統(tǒng)繪制大比例尺地形圖的流程和實(shí)驗(yàn)，讓我們進(jìn)一步了解無人機(jī)航攝的巨大作用，希望能對(duì)我國的測繪工作帶來幫助。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);大比例尺地形圖;航攝系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P231? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

大比例尺地形圖的傳統(tǒng)測繪是采用靜態(tài)測量技術(shù)，首先布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)，通過CLASS RTK與全站儀相結(jié)合來進(jìn)行碎部測量。這種測量效率低，測量難度高。而無人機(jī)作為一種新的監(jiān)測技術(shù)，其準(zhǔn)確性高，靈活性好，成本低而且操作方便。很多復(fù)雜地形地區(qū)都可以進(jìn)行精準(zhǔn)地繪制。本文主要通過對(duì)無人機(jī)航攝系統(tǒng)繪制大比例尺地形圖進(jìn)行研究，為我國的測繪工作提供參考。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)概述

無人駕駛飛機(jī)簡稱無人機(jī)，包括固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和無人飛艇。而無人機(jī)航攝系統(tǒng)是以無人機(jī)為平臺(tái)搭載傳感器設(shè)備，通過GPS定位技術(shù)以及遠(yuǎn)程控制和通信技術(shù)來進(jìn)行地理信息的獲取和地形圖的繪制。[1]

1.1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1.1 無人機(jī)種類

無人機(jī)主要分為固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)具有很快的飛行速度，而且可以飛得很高。可以通過參數(shù)的設(shè)置和地面的控制，規(guī)劃飛行路線，固定翼無人機(jī)能按照事先規(guī)劃好的路線進(jìn)行飛行。固定翼無人機(jī)操作簡單、方便，不需要助跑就可以直接起飛，具有直升飛機(jī)的起飛特點(diǎn)，可以持續(xù)1h遠(yuǎn)距離飛行1 h。固定翼無人機(jī)對(duì)降落地?zé)o特殊條件要求，適應(yīng)性強(qiáng)。下面是固定翼無人機(jī)規(guī)格參數(shù)。

多旋翼無人機(jī)主要由電機(jī)、機(jī)架、螺旋槳組成，其他設(shè)備還需要有控制系統(tǒng)、遙控設(shè)備、攝像設(shè)備等，可以通過控制系統(tǒng)發(fā)出的命令改變而進(jìn)行飛行狀態(tài)的改變。

1.1.2 無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)

無人機(jī)的飛行平臺(tái)系統(tǒng)可以讓無人機(jī)保持飛行的姿態(tài)平穩(wěn)，抗干擾性強(qiáng)。無人機(jī)機(jī)體由玻璃鋼或者碳纖維復(fù)合材料制組成，內(nèi)部中空，有很大的空間來用于安裝提供其他設(shè)備和的安裝和維修。根據(jù)控制系統(tǒng)的型號(hào)以及無人機(jī)的主要干設(shè)備可以確定設(shè)備倉的空間大小。無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳都安裝在無人機(jī)的頭部、兩翼或者是機(jī)身尾部，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)給無人機(jī)提供動(dòng)能。因?yàn)椴煌牡貐^(qū)所擁有的地理形式不一樣，無人機(jī)的起降也被設(shè)計(jì)成多種形式，包括滑行、傘降回收、車載起飛等模式。無人機(jī)飛行平臺(tái)由無人機(jī)機(jī)身、無人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等組成，其作用是將傳感器帶到特殊的地理位置進(jìn)行采集地理信息[2]。

1.1.3 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)由中央計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航定位裝置、電源、傳感器等部分組成，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)各種參數(shù)的控制。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是通過任務(wù)載荷來獲取高度、風(fēng)速、經(jīng)緯度等飛行參數(shù)，從而對(duì)無人機(jī)的飛行進(jìn)行調(diào)整。它還具有可以控制無人機(jī)的飛行與降落、無人機(jī)的飛行管理等多種作用。無人機(jī)的傳感器包括GPS傳感器、空速管、垂直陀螺等，它的任務(wù)設(shè)備包括相機(jī)、紅外熱像儀、傾斜攝影相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)和視頻攝像機(jī)。

1.1.4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為地面和空中兩個(gè)部分，用于無人機(jī)與地面的通訊。空中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)傳電臺(tái)設(shè)備、傳輸接口、傳輸天線等，其作用是保證地面和空中良好的通訊傳播[3]。

1.2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

無人機(jī)航攝系統(tǒng)通過傳感器設(shè)備對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行地理信息的獲取，以此對(duì)獲取的信息經(jīng)過處理后，最終獲得我們所要的地形圖和數(shù)字三維模型等產(chǎn)品。無人機(jī)航攝系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用范圍大。無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以搭載多鏡頭相機(jī)在多個(gè)角度對(duì)相關(guān)地理各種地形地形進(jìn)行拍攝，來獲得地理影像，這對(duì)于三維模型的形成有很大的作用。（2）操作方便，成本低。無人機(jī)體型比較小，比較靈活，操作簡單，而且耗費(fèi)的成本低廉。（3）鏡頭分辨率高。無人機(jī)航攝系統(tǒng)搭載的攝像頭分辨率高，而且無人機(jī)適合各種地形的拍攝，更容易拍攝出高清晰度的圖像。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖流程

2.1 無人機(jī)攝影

無人機(jī)航空拍攝中的硬件設(shè)備影響信息的處理系統(tǒng)和分析系統(tǒng)，硬件設(shè)備主要包括地面監(jiān)控設(shè)備、遙感設(shè)備、飛行控制系統(tǒng)以及傳感器等，處理視頻影像主要包括DEM、DOM以及數(shù)據(jù)影像處理系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理、分析、檢索等功能。

2.2 像片控制

像片控制是無人機(jī)航攝測繪大比例尺地形圖中的重要組成部分。像控點(diǎn)在航線上需要10十到15十五條基線來進(jìn)行布置，旁邊也要二2到四4條基線布置。一般使用全站儀來進(jìn)行測繪，根據(jù)測繪來控制像控點(diǎn)的精度。

2.3 圖像預(yù)處理

因?yàn)樵跓o人機(jī)的拍攝中數(shù)碼相機(jī)的畫幅比較小，所以需要圖像預(yù)處理技術(shù)來達(dá)到良好的測量精確度。沒有經(jīng)過預(yù)處理的圖像會(huì)產(chǎn)生形變，給后續(xù)的工作帶來很大困難?？梢酝ㄟ^采用DP Grid系統(tǒng)來調(diào)整圖像的畸變差。無人機(jī)航攝圖像預(yù)處理方法一般有兩種，分別為噪聲去除法和鏡頭畸變校正法。在圖像的拍攝或者傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到噪聲信號(hào)的干擾，從而影響圖像的正常生成。通過濾波處理，可以去掉圖像中的噪聲信號(hào)，將拍攝好的圖像經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過傅里葉變換變成頻域信號(hào)，然后通過濾波器過濾掉噪聲的頻段，只留下有用的頻段，再經(jīng)過逆向的傅里葉變換后，經(jīng)過一定的處理得到濾波后的圖像，從而達(dá)到過濾噪聲音的效果。鏡頭畸變是由于實(shí)際圖像的位置與坐標(biāo)位置偏離而產(chǎn)生的現(xiàn)象，首先對(duì)將已設(shè)置高精度點(diǎn)空間坐標(biāo)的控制場進(jìn)行拍攝，并提取圖像坐標(biāo)，然后根據(jù)共線放出推導(dǎo)出圖片的原始坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)鏡頭畸變的校正工作。

2.4 空中三角測量

空中三角測量是無人機(jī)航攝測繪工作中非常重要的工作流程，通過空中三角測量可以為地形圖測繪提供定向控制點(diǎn)和相片定向參數(shù)。空中三角測量主要是在SVSUAV軟件中進(jìn)行，首先在軟件中新建一個(gè)工程，然后進(jìn)行設(shè)置參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容包括相機(jī)的參數(shù)、航帶間對(duì)應(yīng)、航帶間旋偏角設(shè)置以及匹配設(shè)置等。所有的參數(shù)設(shè)置完成后通過軟件按鈕進(jìn)行影像匹配，從而計(jì)算出平差。

2.5 DEM與DOM制作

DEM主要是采集無人機(jī)航拍后經(jīng)過處理后的圖片信息，生成核線影像，并通過DP Grid系統(tǒng)對(duì)三維離散點(diǎn)匹配生成的DSM，再自動(dòng)濾波生成DEM。在實(shí)際的地形中具有很多像陰影、流水等影像因素，因此DEM技術(shù)還需要進(jìn)一步提高。DOM是在DP Grid系統(tǒng)中自動(dòng)生成的，通過對(duì)圖像的光色處理和人工編輯來得到DOM，，用DEM來糾正DOM，從而完成整個(gè)地形圖的繪制[4]。

3 以無人機(jī)傾斜攝影測繪大比例尺地形圖為例分析

固定翼無人機(jī)的作業(yè)效率高，續(xù)航時(shí)間長，但是它的飛行安全度很差，也無法獲得更多角度的拍攝工作。但是多旋翼無人機(jī)可以進(jìn)行傾斜攝影，可以拍攝到多角度的圖像數(shù)據(jù)，分辨率高.。通過軟件可以自動(dòng)生產(chǎn)三維數(shù)字模型，而且時(shí)間效率高，成本低。下面對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測繪大比例尺地形圖的精度進(jìn)行分析。

3.1無人機(jī)傾斜攝影測量原理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是在無人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)數(shù)碼相機(jī)，，進(jìn)而能夠多角度獲取高分辨率的拍攝影像。傾斜攝影測量技術(shù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）可以獲得多角度拍攝影像。（2）可以獲得高分辨率影像。（3）自動(dòng)生產(chǎn)三維數(shù)字模型[5]。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

3.2.1 多視影像聯(lián)合平差

傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差分為：無約束區(qū)域網(wǎng)平差、傾斜影像的直接定向和附加約束區(qū)域網(wǎng)平差。

3.2.2 多視影像匹配

影像匹配是無人機(jī)航攝測繪中非常重要的技術(shù)之一，通過影像匹配可以算出影像之間的同名點(diǎn)，傾斜影像具有分辨率高、拍攝物體變形大、儲(chǔ)存空間大等特點(diǎn)。通過多影像的密集匹配可以得到高密度和高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3.3 數(shù)字表面模型產(chǎn)生

數(shù)字表面模型是地理空間數(shù)據(jù)設(shè)施的重要組成部分之一，它可以展現(xiàn)出最真實(shí)的地面情況。但是傾斜攝影拍攝影像之間的尺度有較大的差異，還存在有一些遮擋物的問題，這是傾斜攝影不足的地方。當(dāng)前通過空三計(jì)算可以進(jìn)行圖像匹配，然后經(jīng)過噪聲過濾法和圖像畸變校正法可以進(jìn)行處理，然后通過軟件處理后生成DSM。

3.3.4 三維模型的生成

將拍攝的影像進(jìn)行預(yù)處理，通過專業(yè)軟件來獲得三維模型。獲得三維模型有兩種方式，第一種是利用拍攝的圖像紋理來形成三維模型，另一種是利用航拍獲取的數(shù)據(jù)信息來形成三維模型。繪制三維模型首先應(yīng)該通過無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行圖像的拍攝，然后獲取圖像數(shù)據(jù)，通過圖像畸變校正和噪聲處理過后進(jìn)行空中三角測量以及像控點(diǎn)布設(shè)，然后進(jìn)行精度的檢查，最終形成三維模型。

3.3.5 繪制地形圖

地形圖的測繪是通過DP-Modeler軟件來進(jìn)行工作的，通過軟件首先對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在軟件中新建空白項(xiàng)目，導(dǎo)入空三計(jì)算結(jié)果，然后進(jìn)行矢量的采集，經(jīng)過軟件上一系列的操作，最后繪制成大比例尺地形圖。

3.4 傾斜攝影的數(shù)據(jù)處理軟件

一般傾斜攝影的處理軟件為Smart3DCapture軟件，它可以生成三維模型，具有穩(wěn)定性和操作便利性等優(yōu)點(diǎn)。而Smart3DCapture軟件又可以分為三個(gè)部分：Smart3DCapture Master、Smart3DCapture Engine 和3D Viewer。Smart3DCapture Master可以導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，處理各個(gè)過程。Smart3DCapture Engine不需要人工操作，打開模塊自行運(yùn)算。3D Viewer是一種可視化模塊，可以查看三維模型建立過程中的質(zhì)量，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后生成一個(gè)高精度的三維模型。[6]

4 結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測繪領(lǐng)域可以運(yùn)用到越來越先進(jìn)的技術(shù)。無人機(jī)技術(shù)以其靈巧、簡單、易操作、精度高等特點(diǎn)，成為航攝地形圖的不二選擇。但無人機(jī)航攝也有一定的缺陷，比如很多隱秘的設(shè)施無法航攝到，這需要相關(guān)人員提高無人機(jī)航攝技術(shù)，進(jìn)而能夠測繪出最真實(shí)的地形圖。

（責(zé)任編輯：侯辛鋒）

參考文獻(xiàn)：

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[6]陳俊勇.測繪學(xué)概論[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.