無人機(jī)航攝作業(yè)關(guān)鍵步驟和發(fā)展趨勢(shì)分析

殷立瓊，孫長(zhǎng)奎，潘九寶，王 瑋，范雪婷

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

0 引 言

隨著我國數(shù)字化城市建設(shè)的步伐日益加快，各行各業(yè)對(duì)高分辨率遙感影像的需求日益增大，對(duì)信息獲取和更新速度提出了更高的要求。目前業(yè)務(wù)化運(yùn)行的高分辨率遙感衛(wèi)星影像一定程度上可以滿足高分辨率影像獲取的要求，但是基于衛(wèi)星遙感的攝影測(cè)量方式受氣象、地貌等條件的影響較為嚴(yán)重[1]，有些地區(qū)由于常年沒有合適的大氣窗口而無法獲得高分辨率衛(wèi)星影像。傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)作為高分辨率影像獲取的一種重要手段，對(duì)空域及氣象條件有著嚴(yán)格的要求[2]。

無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型高分辨率遙感影像獲取系統(tǒng)，有效地將無人機(jī)技術(shù)、航空攝影測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)和定位技術(shù)相結(jié)合，在獲取小范圍和飛行困難地區(qū)的高分辨遙感影像方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段和衛(wèi)星遙感的有益補(bǔ)充，測(cè)繪產(chǎn)品精度得到了測(cè)繪行業(yè)的認(rèn)可。

本文從數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)角度對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，對(duì)無人機(jī)航攝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)組成

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是以無人機(jī)為飛行平臺(tái)、以影像傳感器為任務(wù)設(shè)備的航空遙感影像獲取系統(tǒng)[3],主要由飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)和地面保障設(shè)備六部分組成(表1)。

表1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)基本組成及主要任務(wù)[3]

2 無人機(jī)航攝作業(yè)步驟分析

2.1 地面分辨率

《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[4]給出了不同比例尺航攝成圖條件下航攝地面分辨率的選擇依據(jù)。但是，應(yīng)用實(shí)踐表明，依據(jù)該規(guī)范規(guī)定的航攝比例尺進(jìn)行航攝作業(yè)，無法滿足成圖精度的要求[5]，此外，無人機(jī)航攝過程中影像的像點(diǎn)位移、航攝高度的確定均與影像地面分辨率有關(guān)系[6]，要提高航攝影像的判讀精度，必須提高航攝分辨率，航攝分辨率的提高又會(huì)影響航攝作業(yè)效率。因此，根據(jù)航攝成圖的要求，在兼顧航攝成圖質(zhì)量和作業(yè)效率的前提下，應(yīng)在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高航攝作業(yè)的地面分辨率。

2.2 航攝重疊度

一方面，無人機(jī)航攝多搭載的為采用中心投影方式成像的非量測(cè)型相機(jī)，鏡頭畸變大，為了提高成圖精度，應(yīng)加大像片重疊度，采用像片中心部分的影像進(jìn)行成圖[5]；另一方面，當(dāng)重疊度大時(shí)，模型基高比就會(huì)變小，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)圖時(shí)高程精度降低，同時(shí)，重疊度過大會(huì)使航攝飛行效率降低、數(shù)據(jù)冗余增大。因此，在航攝重疊度設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮影像用途、航攝天氣、飛行平臺(tái)穩(wěn)定性等因素的影響[7]。

2.3 航線敷設(shè)方案

航線布設(shè)前，應(yīng)綜合研究測(cè)區(qū)的地形特征，當(dāng)達(dá)到分區(qū)要求[4]時(shí)，要對(duì)航攝范圍進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)單獨(dú)布設(shè)航線。此外，由于無人機(jī)自身質(zhì)量小、慣性小、受氣流影響大，因此，在航線敷設(shè)時(shí)，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)丶竟?jié)性風(fēng)向的影響，一般情況下按常規(guī)方案進(jìn)行航線敷設(shè)，當(dāng)季節(jié)性風(fēng)較大時(shí)，應(yīng)盡量沿著季節(jié)性風(fēng)按順風(fēng)或者逆風(fēng)的方向進(jìn)行航線敷設(shè)。航線敷設(shè)時(shí)還要保證攝區(qū)邊界覆蓋的問題，一般要求在航攝區(qū)域四周至少外擴(kuò)一條基線，對(duì)于無人機(jī)傾斜攝影，至少要外擴(kuò)一個(gè)航高。

2.4 飛行平臺(tái)

無人機(jī)航攝飛行平臺(tái)是航攝安全作業(yè)的重要保障。飛行平臺(tái)的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮航攝區(qū)域的平均海拔、天氣狀況、周圍空管及人口情況，保障航攝安全，同時(shí)應(yīng)考慮飛行器的設(shè)備搭載能力，以及對(duì)起飛降落方式的要求。

2.5 航攝傳感器

無人機(jī)航攝系統(tǒng)搭載的多為非量測(cè)型相機(jī)，光學(xué)系統(tǒng)不穩(wěn)定、鏡頭畸變大，因此，需要對(duì)非量測(cè)型相機(jī)進(jìn)行檢校[8]，建立相機(jī)的成像模型，獲取精確的相機(jī)內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)，對(duì)獲取的光學(xué)影像進(jìn)行畸變差改正。目前無人機(jī)相機(jī)多采用自檢校的方法進(jìn)行檢校，該方法基于飛行的影像，采用匹配平差的方式檢校出相機(jī)參數(shù)，但是，該方法需要進(jìn)行影像間的匹配，受影像質(zhì)量、地物類型影響較大，并且不同的航攝數(shù)據(jù)得出的相機(jī)參數(shù)不同。另外，市面上常見的相機(jī)畸變檢校模型多是對(duì)同一張影像采用同一套畸變糾正參數(shù)，很難適應(yīng)影像各區(qū)域畸變不同的特點(diǎn)，因此，盡量采用分區(qū)域相機(jī)畸變校正，準(zhǔn)確的量化不規(guī)則相機(jī)的畸變信息，從而獲得高精度的航測(cè)數(shù)據(jù)。

由于航測(cè)數(shù)據(jù)獲取的特殊性，航攝過程中相機(jī)參數(shù)設(shè)置也是影響影像質(zhì)量的重要因素。曝光模式選擇快門優(yōu)先，防止影像出現(xiàn)重影；曝光時(shí)間最好不超過1/1 000秒，有時(shí)用1/1 250，天氣好、光照充足條件下，快門速度可以適當(dāng)調(diào)快；ISO的設(shè)置最好不要超過800，昏暗場(chǎng)景時(shí)需設(shè)置高ISO，明亮場(chǎng)景需要設(shè)置低的ISO；光圈設(shè)置一般在4.5～9之間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置5.6最為合適。

2.6 航攝實(shí)施

航攝實(shí)施過程中應(yīng)選擇最有利的氣象條件，既要保證有充足的光照條件，又要避免有過大的陰影。同時(shí)，在航飛過程中，要密切關(guān)注天氣變化及無人機(jī)的飛行姿態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)丟星嚴(yán)重或者飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)時(shí)，應(yīng)立即停止飛行。

2.7 飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量檢查

飛行質(zhì)量檢查主要是檢查像片重疊度、像片傾角、像片旋角、航線彎曲度以及攝區(qū)邊界覆蓋是否滿足技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求；檢查POS數(shù)據(jù)是否與影像一一對(duì)應(yīng)；影像質(zhì)量檢查主要檢查影像的清晰度、層次的豐富性以及色差和色調(diào)的一致性；每天作業(yè)完成后要實(shí)時(shí)生成影像快拼圖，檢查航飛質(zhì)量問題，當(dāng)航攝中出現(xiàn)漏洞或影像不滿足要求時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)攝，所用相機(jī)應(yīng)與上次航飛一致，補(bǔ)攝航線的范圍要超出漏洞兩條基線。

2.8 地面控制點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)

像控點(diǎn)的布設(shè)是無人機(jī)航空攝影技術(shù)中影響測(cè)繪產(chǎn)品精度的關(guān)鍵步驟[9]，布設(shè)方案的好壞直接關(guān)系到空三加密的精度?，F(xiàn)階段，低空無人機(jī)航攝按控制點(diǎn)布設(shè)方案的不同可以分為三類[10-11]：① 參照傳統(tǒng)攝影測(cè)量的控制點(diǎn)均勻布設(shè)布設(shè)方案；② 稀少控制點(diǎn)布設(shè)方案；③ GPS輔助的免像控方案。均勻控制點(diǎn)布設(shè)方案是目前應(yīng)用較為廣泛的控制點(diǎn)布設(shè)方案，該方案航測(cè)成圖精度較高，但是該方案需要較多的控制點(diǎn)，占用著大量人力物力及工期。免像控布設(shè)方案是近年來新出現(xiàn)的一種無人機(jī)航攝作業(yè)模式，該方案需要專門的航攝系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)軟件的支持，對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的控制、動(dòng)態(tài)差分定位精度有較高的要求，能夠滿足小范圍的大比例尺航攝，當(dāng)用于大面積作業(yè)時(shí)無法達(dá)到精度要求。已有研究表明，采用四角點(diǎn)組布點(diǎn)外加內(nèi)部少量布點(diǎn)的稀少控制點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)能滿足航測(cè)成圖精度的要求。

2.9 PPK和RTK技術(shù)

為了減少像片控制測(cè)量工作量及后繼工序的誤差累積，應(yīng)盡可能提高曝光瞬間像片的外方位元素精度。目前無人機(jī)航攝系統(tǒng)多搭載PPK(動(dòng)態(tài)后差分技術(shù))或RTK(實(shí)時(shí)差分技術(shù))模塊，該類型的模塊能獲得厘米級(jí)的精度，可減少外業(yè)像控點(diǎn)80%以上，能極大限度的提高航攝作業(yè)效率和成果精度。兩種作業(yè)模式都需要架設(shè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站應(yīng)架設(shè)在視野開闊、環(huán)境空曠、地勢(shì)較高的地方，避免架設(shè)在無線電站、高壓線、變壓器等信號(hào)干擾區(qū)，同時(shí)避免在樹蔭下及大范圍水域周圍架設(shè)基準(zhǔn)站?！度蚨ㄎ幌到y(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)技術(shù)規(guī)范》[12]規(guī)定首先要保證基準(zhǔn)站在靜態(tài)模式下觀測(cè)10～15 min，獲得固定解，在不丟失固定解的前提下進(jìn)行航攝作業(yè)，航攝完成后，基準(zhǔn)站再持續(xù)觀測(cè)10～15 min后方可停止。進(jìn)行無人機(jī)航攝時(shí)，一般要把時(shí)間控制在30 min以上。

2.10 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵性步驟，結(jié)果直接影響產(chǎn)品的實(shí)際精度和準(zhǔn)確度[13]。無人機(jī)航攝平臺(tái)由于自身的特點(diǎn)，導(dǎo)致空三解算時(shí)需要大量的地面控制點(diǎn)來保證空三精度，大大增加了外業(yè)工作量，GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差可以有效的解決低空攝影測(cè)量對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴[14]。對(duì)于無人機(jī)航攝系統(tǒng)而言，由于沒有搭載同步曝光裝置，使得無人機(jī)拍攝時(shí)記錄的相機(jī)曝光時(shí)刻與實(shí)際的相機(jī)曝光時(shí)刻存在延遲，現(xiàn)有的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型沒有顧及到該曝光延遲誤差[15]，導(dǎo)致實(shí)際平差結(jié)果精度比理論估值低，無法保證最終平差結(jié)果的精度，很大程度上限制了無人機(jī)及其它低空平臺(tái)在高精度量測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。張春森等[14]針對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量相機(jī)曝光延遲的問題，提出了顧及曝光延遲的無人機(jī)GPS輔助光束法平差方法，該方法在免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3 發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

3.1 法律法規(guī)健全與完善

作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的產(chǎn)物，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用，但是，大規(guī)模的應(yīng)用也帶來了諸多困境[16]。國務(wù)院、中央軍委、民航局等部門相繼出臺(tái)了一系列的法律法規(guī)來保障無人機(jī)航攝技術(shù)的安全運(yùn)行。相信隨著今后法律、規(guī)范、制度的不斷完善，無人機(jī)航空攝影技術(shù)一定能得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3.2 飛行平臺(tái)與航攝傳感器

隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種型號(hào)的無人機(jī)航攝飛行平臺(tái)，大多數(shù)飛行平臺(tái)不乏高新技術(shù)的支持，但是，系統(tǒng)的平穩(wěn)性、抗震性、載荷能力、續(xù)航時(shí)間、獲取影像的質(zhì)量等仍是航攝飛行平臺(tái)普遍面臨的問題[17]。因此，無人機(jī)廠商應(yīng)在無人機(jī)的載荷能力、續(xù)航時(shí)間、高穩(wěn)定性自主導(dǎo)航飛控系統(tǒng)等方面下功夫，生產(chǎn)出真正適合民用的高效無人機(jī)飛行平臺(tái)。

由于無人機(jī)自身特性的原因，目前無人機(jī)搭載的多為非量測(cè)型單反相機(jī)，影像獲取方式的單一性很大程度上限制了無人機(jī)航攝技術(shù)的應(yīng)用。近年來，各種體積小、質(zhì)量輕、精度高的傳感器設(shè)備發(fā)展迅速，隨著紅外相機(jī)、高光譜相機(jī)、傾斜相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器在無人機(jī)上的搭載和應(yīng)用，無人機(jī)遙感信息獲取技術(shù)將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)的完善

市面上的各種類型的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件均能實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的全自動(dòng)快速處理[18]，在數(shù)據(jù)處理過程中，大量的控制點(diǎn)刺點(diǎn)工作耗費(fèi)了大量的人力物力，隨著無人機(jī)航攝技術(shù)的發(fā)展以及空三解算方案的優(yōu)化，相信今后在稀少控制點(diǎn)甚至無控制點(diǎn)條件下，無人機(jī)航攝技術(shù)成果將能達(dá)到工業(yè)級(jí)的精度要求。此外，在無人機(jī)航攝時(shí)代，傳統(tǒng)的DEM、DOM的生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，節(jié)省了大量的人力物力，生產(chǎn)效率得到了大幅提高；但是DLG的生產(chǎn)仍停留在傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)階段，相信隨著影像匹配技術(shù)、空三計(jì)算技術(shù)及模式識(shí)別等新技術(shù)的發(fā)展，DLG的生產(chǎn)將會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.4 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)植保、電力管道巡檢等方面得到了廣泛的應(yīng)用，隨著“一帶一路”和“國土三調(diào)”等國家政策的扶植，測(cè)繪行業(yè)將面臨著一場(chǎng)大的革新，其中，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)[19-20]或?qū)⒊蔀闇y(cè)繪市場(chǎng)的突破口，在測(cè)繪領(lǐng)域掀起一股熱潮。

4 結(jié) 語

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)作為行業(yè)的新寵，其應(yīng)用和發(fā)展得到了行業(yè)的高度認(rèn)可。本文從無人機(jī)航攝遙感數(shù)據(jù)獲取以及遙感數(shù)據(jù)處理兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)無人機(jī)航攝作業(yè)中地面分辨率和航攝重疊度的確定、航線敷設(shè)方案、飛行平臺(tái)與傳感器的選擇、飛行質(zhì)量檢查、地面控制點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)、高精度定位定姿技術(shù)以及空三加密等關(guān)鍵步驟進(jìn)行了詳盡的闡述，并針對(duì)各步驟要注意的問題給出了作業(yè)指導(dǎo)意見，之后針對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展方向及可能遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。該技術(shù)的研究對(duì)于提高無人機(jī)航攝作業(yè)效率和成果精度具有重要的指導(dǎo)意義。