吳正鵬

(天津市測繪院，天津 300381)

無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)應用初探

吳正鵬?

(天津市測繪院，天津 300381)

無人飛行器與航空攝影測量的結(jié)合促成了攝影測量與遙感的新發(fā)展方向——無人飛行器低空航空攝影測量。本文結(jié)合天津市測繪院組織的無人機航空攝影測量試驗，首先介紹了無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)的組成，然后就其數(shù)據(jù)處理流程及幾何處理進行了詳細分析，最后對該系統(tǒng)的應用前景進行了展望。

無人機；雙相機；低空遙感；空中三角測量

1 引 言

盡管近年來衛(wèi)星遙感、包括高分辨率衛(wèi)星遙感已經(jīng)取得長足發(fā)展，但由于衛(wèi)星遙感平臺受軌道的限制，每天過頂?shù)臅r間固定且受天氣影響較大，無法滿足應急觀測需要；航空遙感雖然具有自主性強、機動靈活等特點，但是在惡劣的天氣條件下，出于安全考慮，載人飛機往往無法升空作業(yè)，亦無法響應應急觀測需要；微波遙感等手段雖然不受云和天氣的影響，可實現(xiàn)全天時、全天候?qū)Φ赜^測，但由于探測原理的差異，并不能替代可見光和紅外遙感在實際應用中的地位。

伴隨著無人飛行器(UAV)的發(fā)展，近年來無人飛行器將其自身特點與航空攝影測量結(jié)合，成為攝影測量與遙感的新平臺被引入測繪行業(yè)，形成一個新的發(fā)展方向:無人飛行器低空航空攝影測量。與前述幾類遙感平臺相比，低空遙感平臺具有以下幾個獨特的優(yōu)勢:①平臺構(gòu)建容易、維護成本極低；②受天氣的影響較小，作業(yè)方式機動靈活；③飛行高度低，能夠獲得大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有巨大優(yōu)勢；④不受重訪周期限制，可在云下飛行，能有效避免云的影響，獲取高時間分辨率影像；⑤能夠獲取高重疊度的影像，增強了后續(xù)處理的可靠性；⑥受空域限制較小。此外，無人機遙感平臺還具有便于攜帶，轉(zhuǎn)移方便等優(yōu)點。鑒于以上諸多優(yōu)勢，基于小型無人機平臺搭建的對地觀測系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點課題，現(xiàn)已逐步從研究開發(fā)階段發(fā)展到實際應用階段。

當前，國家測繪局已經(jīng)明確將“數(shù)字航空攝影、無人駕駛飛行器低空遙感影像等先進的影像獲取技術(shù)用于測繪生產(chǎn)”列入了測繪系統(tǒng)工作要點。2010年4月，天津市測繪院訂購了CK－GY04型無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)并于2010年4月23日在天津市靜海縣團泊鎮(zhèn)進行了試飛。本文將結(jié)合試驗情況，對無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及應用進行簡單介紹。

2 無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)的組成及技術(shù)參數(shù)簡介

無人機低空航測系統(tǒng)與一般的大型航空遙感系統(tǒng)的組成基本相同，由飛行平臺、動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、遙感傳感器以及遙感數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)組成。

2.1 CK－GY04型無人機飛行平臺

CK－GY04型無人機飛行平臺參數(shù)如表1所示。

CK－GY04型無人機設(shè)計參數(shù) 表1

圖1 CK－GY04型無人機彈射起飛和開傘降落

2.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由動力裝置與螺旋槳組成，提供飛機起飛、降落以及空中抗風、完成飛行任務(wù)所需要的動力。

2.3 飛行控制系統(tǒng)

飛機飛行控制系統(tǒng)由地面遙控和機載自主控制兩大部分組成。飛機的升空過程控制和回收過程控制由地面作業(yè)人員通過地面控制中心進行遙控控制，飛機到達預定高度后的定點控制通過機載自主控制系統(tǒng)進行，并可以在上述兩種控制方式之間進行切換。飛機機載自主控制系統(tǒng)由感知飛機狀態(tài)的傳感器、實施數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制功能的計算機、操縱舵面運動的伺服作動系統(tǒng)、無線電遙控收發(fā)裝置、機內(nèi)自測試(BIT)等分系統(tǒng)組成。飛行控制系統(tǒng)及方案原理如圖2所示。

圖2 飛控系統(tǒng)及方案原理圖

地面遙控系統(tǒng)主要由無線電遙控收發(fā)裝置、地面中心控制計算機、地面遙控工作臺等部分組成，如圖3所示。

圖3 地面遙控系統(tǒng)

2.4 遙感設(shè)備(傳感器)及航攝規(guī)劃系統(tǒng)

(1)遙感設(shè)備(傳感器)具有特寬角的組合雙相機系統(tǒng)(LAC02)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該設(shè)計能滿足無人機載航空遙感器輕小型化(重量不超過5 kg)及高程精度的要求。

特寬角相機的拼接是將多個單相機采用外場拼接的方式進行拼接。最理想化的雙相機拼接模型為兩相機的投影中心完全重合，如圖5所示，S為投影中心，SO1和SO2為兩相機的主光軸。

圖4 組合特寬角雙相機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(LAC02)

圖5 理想雙相機拼接模型

圖5 的拼接為理想的拼接方式，采用內(nèi)視場拼接方式時才有可能實現(xiàn)此種拼接方式，但內(nèi)視場拼接方式的難度在于多塊CCD的接連處理及分光鏡的安裝。目前國內(nèi)外航空相機主要的拼接方式是外視場拼接，如DMC相機采用外視場拼接方式，UltraCamD相機內(nèi)外視場兩種拼接方式均采用了。外視場拼接就是利用現(xiàn)有成型單相機(包括相機后背和鏡頭)進行拼接，由于每個相機機械尺寸不一致，因此兩相機的投影中心s1和s2不重合。外視場拼接有內(nèi)傾式和外傾式兩種拼接方式，內(nèi)傾式是兩個相機鏡頭均向內(nèi)傾斜，如圖6所示；外傾式是兩個相機鏡頭均向外傾斜，如圖7所示。

圖6 帶有重疊度的外視場拼接模型(內(nèi)傾式)

圖7 帶有重疊度的外視場拼接模型(外傾式)

無論采取內(nèi)傾式還是外傾式拼接，從原理上都是一樣的，都要保持兩個相機的主光軸的傾角是一樣的，也就是∠O1O′O2保持不變。組合特寬角相機LAC02的具體參數(shù)如表2所示，LAC所獲取影像的地面分辨率與飛機航高之間的對應關(guān)系如表3所示。

LAC02傳感器技術(shù)參數(shù) 表2

LAC02影像與航高之間關(guān)系 表3

(2)航攝規(guī)劃系統(tǒng)

航攝規(guī)劃系統(tǒng)是規(guī)劃實現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標，順利完成航空攝影測量任務(wù)的關(guān)鍵。無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)采用非量測數(shù)碼相機進行航空攝影，因此無人機的航攝規(guī)劃系統(tǒng)也與普通有人飛機不同。普通有人飛機的航攝系統(tǒng)一般是有人值守系統(tǒng)，而無人機的航攝規(guī)劃系統(tǒng)是無人值守的系統(tǒng)，需要通過遙控指令控制相機曝光。無人機的航攝規(guī)劃系統(tǒng)分為航線設(shè)計子系統(tǒng)、航線上傳子系統(tǒng)、航點數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)三個部分，系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 航線規(guī)劃系統(tǒng)圖

3 無人機遙感數(shù)據(jù)處理流程

與傳統(tǒng)航空攝影數(shù)據(jù)相比，無人機遙感數(shù)據(jù)具有以下幾個特點:①由于采用了非量測數(shù)碼相機，鏡頭畸變較傳統(tǒng)航攝儀大；②低空寬視角，因視點變化的原因，影像四周地物幾何變形大，特征匹配難度大，有效匹配率低；③低空、寬像幅且高重疊度，影像數(shù)據(jù)量大；④雖采取了一定防范措施，但是仍免不了出現(xiàn)大的旋偏角，超出傳統(tǒng)航測±8°的規(guī)范要求[1]。因此，無人機遙感數(shù)據(jù)的處理在某些環(huán)節(jié)中有其特殊的地方，但總的來說，其流程與傳統(tǒng)航空攝影測量數(shù)據(jù)處理基本一致。即相機檢校、批處理文件制作、全自動影像匹配、定向點檢查、空三解算、DEM生成、DOM生成幾個步驟，如圖9所示。

圖9 無人機遙感數(shù)據(jù)處理流程

4 無人機低空遙感影像幾何處理試驗

4.1 飛行情況簡介

2010年4月下旬，CK－GY04無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)在天津市靜海縣團泊鎮(zhèn)飛行，獲取了近8 km2(約400張)的航空攝影數(shù)據(jù)。航攝當天，當?shù)氐娘L力在5級在左右，通過檢查雙相拼接(如圖10所示)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)所獲取的像片在像片重疊、傾斜角、旋偏角及航線彎曲度、航高保持等方面都能滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要求。

圖10 雙相拼接示意圖

4.2 外業(yè)像控點及檢查點測量情況

根據(jù)航空攝影數(shù)據(jù)檢查結(jié)果，選取地物信息相對豐富的區(qū)域作為開展空中三角測量及地形圖測繪的試驗樣區(qū)，包括4條航線，每條航線32張航片，總面積約3 km2，如圖11所示。像控點布設(shè)方案采用區(qū)域網(wǎng)布點法，按照航向2條～3條基線、旁向1條航線的跨度共布設(shè)平高控制點32個；同時，在地物集中的居民區(qū)布設(shè)69個檢查點供地形圖測繪精度評價使用；像控點及檢查點分布如圖12所示。

像控點及檢查點的平面與高程均采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量方法，直接測量像控點的WGS－84坐標，并依據(jù)要求將WGS－84大地坐標換算至天津90地方坐標系。具體參考如下要求:①衛(wèi)星高度角≥15°；②有效觀測衛(wèi)星數(shù)≥5；③數(shù)據(jù)采樣時間3 min；④點位幾何圖形強度(PDOP值)≤6。

圖11 試驗區(qū)航攝覆蓋圖

圖12 像控點、檢查點分布示意圖

4.3 區(qū)域網(wǎng)空中三角測量

利用無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)獲取的數(shù)碼影像進行地面目標量測所能達到的精度是該系統(tǒng)實用化的關(guān)鍵技術(shù)指標之一；同時，也直接影響到該系統(tǒng)的應用推廣。此次采用外業(yè)采集的30個控制點分三種方案進行區(qū)域網(wǎng)空中三角測量精度測試，其精度統(tǒng)計情況如表4所示。

區(qū)域網(wǎng)空中三角測量精度匯總表 表4

通過對不同方案區(qū)域網(wǎng)空中三角測量結(jié)果的分析，我們認為每平方千米布設(shè)6個像控點即可滿足成圖要求。同時，無人機低空遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域網(wǎng)空中三角測量有以下特點:①由于低空遙感影像的航向重疊度一般為80%，旁向重疊度約60%，空中三角測量時，每個地面點對應的像點觀測值較傳統(tǒng)攝影測量大大增加，而冗余觀測值的增加不僅可以提高整體平差的精度，而且非常有利于粗差觀測值的探測和剔除。②相對定向和自由網(wǎng)空中三角測量中誤差較大。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，中誤差較大并不是由同名點存在粗差引起的，而是由于配置的24 mm廣角鏡頭存在很大的畸變差所致。故在相對定向和自由網(wǎng)空中三角測量前，先進行像點坐標畸變改正，則自由網(wǎng)平差的中誤差會迅速提高。③由于像控點采用的是地面自然特征點，因而區(qū)域網(wǎng)平差精度會受到像控點對應像點坐標量測誤差的影響。采用明顯人工標志作為像控點的區(qū)域網(wǎng)平差精度應該會有較大提高。

另外，如果在無人機上安裝高精度的GPS接收機，并在飛行過程中記錄GPS觀測數(shù)據(jù)，則有可能像傳統(tǒng)航空攝影測量一樣進行GPS輔助空中三角測量，從而大大減少地面控制點的數(shù)量，進一步提高低空遙感影像數(shù)據(jù)的處理效率。

4.4 正射影像圖(DOM)制作

本文利用區(qū)域網(wǎng)平差后的空中三角測量結(jié)果重建模型采集特征點、特征線內(nèi)插生成測區(qū)的DTM，進而制作對應的正射影像。通過量測像控點及檢查點(地面點)在正射影像上的平面坐標，并與已知坐標比對，可以對正射影像進行精度檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，像控點(地面點)的平面位置中誤差約0.3 m，說明所生成的正射影像精度較為理想。不過由于沒有經(jīng)過勻光及調(diào)色處理，正射影像存在明顯的色彩不一致現(xiàn)象，可以采用專業(yè)后處理軟件進行處理。

4.5 立體測圖

在立體環(huán)境中，讀取像控點及檢查點的坐標并與外業(yè)測量值進行比對，其精度統(tǒng)計情況如表5所示。

立體測圖精度統(tǒng)計表 表5

通過分析立體測圖誤差分布情況，我們發(fā)現(xiàn)一倍中誤差以內(nèi)的點約占總點數(shù)的70%，兩倍中誤差以內(nèi)97%，僅有3%的點位誤差超過了兩倍中誤差，而最大誤差均小于三倍中誤差，說明立體測圖結(jié)果不存在粗差。同時，由于沒有經(jīng)過系統(tǒng)誤差改正，立體測圖中的點位精度與空中三角測量精度相差較大，尤其是相鄰像對及航線間的高程誤差較大，經(jīng)過系統(tǒng)誤差改正，平面精度及高程精度會有較大提高。因此，無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)能滿足1∶2 000、1∶1 000或更大比例尺地形圖測繪要求。

5 應用展望

近年來，城市建設(shè)與規(guī)劃、國土資源監(jiān)測、精確農(nóng)業(yè)、自然災害期間空間信息數(shù)據(jù)的實時獲取以及災情評估與災后重建等對大比例尺數(shù)據(jù)的要求日益迫切。上述行業(yè)的應用不僅要求影像數(shù)據(jù)具有更高空間分辨率，有的更要求其具有高時間分辨率。例如，城市建設(shè)監(jiān)測與農(nóng)作物生長監(jiān)測中通常需要按月獲取數(shù)據(jù)；國土資源監(jiān)測要求分季度提交數(shù)據(jù)；而對于突發(fā)的災情則需要快速反應，及時獲取信息，實時把握災情狀況，快速、正確地做出救災抗災之決策。同時，在一些自然災害(地震、洪災等)發(fā)生時進行的測繪活動，因環(huán)境惡劣，不僅要考慮儀器設(shè)備的安全，更要考慮人員的安全，如果用傳統(tǒng)的遙感與有人飛機航空拍攝，將極難實現(xiàn)或因耗費過高而產(chǎn)出極低。無人飛行器低空航空攝影測量系統(tǒng)的出現(xiàn)則為我們提供了高空間、時間分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的新思路。隨著無人飛行器低空航空攝影測量系統(tǒng)在抗風能力、姿態(tài)穩(wěn)定度、續(xù)航時間等方面的提高及其與高精度GPS集成的實現(xiàn)，該系統(tǒng)將成為高空間、時間分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的可靠手段。

[1] 張永軍.基于無人駕駛飛艇的低空遙感影像幾何處理.武漢大學學報·信息科學版，2009(3)

[2] 李英成，趙繼成，丁曉波.超輕型飛機低空數(shù)碼遙感系統(tǒng)用于土地資源信息獲取.遙感應用，2005(4)

[3] 彭曉東，林宗堅.無人飛艇低空航測系統(tǒng).測繪科學，2009 (7)

[4] 姬淵，秦志遠，王秉杰等.小型無人機遙感平臺在攝影測量中的應用研究.測繪技術(shù)裝備，2008(1)

Primary Study on Application of UAV Low－Altitude Remote Sensing System with Dual－camera

Wu ZhengPeng
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

The combination of UAV and aerial photogrammetry contributed to new development direction of Photogrammetry＆remote sensing—UAV low－altitude aerial photogrammetry.In this article，the component of UAV low－altitude remote sensing system with dual－camera and the detailed analysis of data processing workflow are introduced as well as geometry processing based on the UAV aerial photogrammetry test organized by Tianjin Institute of Surveying and Mapping.Finally，the future application of the system is forecasted.

UAV；Dual－Camera；Low－Altitude Remote Sensing；Aerotriangulation

1672－8262(2011)01－76－05

P231

B

2010—09—03

吳正鵬(1981—)，男，工程師，主要從事攝影測量與遙感的數(shù)據(jù)處理、應用研究與管理工作。