鄒長慧，周忠發(fā)

(1．貴州師范大學(xué)中國南方喀斯特研究院，貴州貴陽550001;2．貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴州貴陽550001)

一、引 言

貴州處于中國西南喀斯特的腹心地帶，地處亞熱帶地區(qū)，屬巖溶化的高原山區(qū)，喀斯特面積達(dá)10．91 km2，占全省面積土地面積的73．8%，受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，降水多且集中于夏季，境內(nèi)各地陰天日數(shù)一般超過150天，常年相對濕度在70%以上，是一個兼具喀斯特地貌和多云雨季風(fēng)氣候的特殊地區(qū)，因此該區(qū)獲取優(yōu)質(zhì)的高時(shí)間、空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)十分困難[1]。無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有成本低、機(jī)動靈活、續(xù)航時(shí)間長、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測等特點(diǎn)，是獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)的重要工具之一。近年來，無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，成為國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點(diǎn)，逐步應(yīng)用到社會各領(lǐng)域。但是在高分辨率影像資料獲取十分困難的貴州高原山區(qū)，無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)的相關(guān)研究卻顯得十分薄弱。在貴州喀斯特高原山區(qū)，就無人機(jī)采集影像的方式及影像處理過程進(jìn)行探討，建立一套適宜于該區(qū)域的無人機(jī)航拍相關(guān)技術(shù)顯得尤為迫切與重要。

二、系統(tǒng)組成與作業(yè)流程

1．無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)組成

研究和試驗(yàn)采用的無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)充分考慮了喀斯特高原山區(qū)特殊生態(tài)環(huán)境因素，該系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、作業(yè)軟件系統(tǒng)和影像處理軟件系統(tǒng)、無線電遙控系統(tǒng)幾部分組成(如圖1所示)。其主要性能指標(biāo)如下：最大飛行高度為海拔4500 m，最大海平面爬升率5 m/s，巡航空速為115 km/h，最大過載為3．5 G，續(xù)航時(shí)間為 1．8 h，巡航抗風(fēng)能力 13 m/s，起降抗風(fēng)能力為5級，控制半徑100 km。無人機(jī)機(jī)身為金屬、木材、碳纖維和玻璃鋼等多種材料制作而成。機(jī)身備有獨(dú)立的電池艙，外形為拉進(jìn)式三點(diǎn)部局，與機(jī)翼連接用碳纖維圓管插接，發(fā)動機(jī)位于機(jī)身前端。體現(xiàn)出質(zhì)量輕、工業(yè)輕度高等特性。無人機(jī)起落裝置是專為適合貴州喀斯特高原山區(qū)惡劣野外作業(yè)條件而設(shè)計(jì)的，它的特點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度大、減振好、拆卸便捷，在安裝機(jī)輪的情況下可以滑跑降落，在沒有起降條件的場地可以充分利用起落架高度來降落，以減少滑行距離[2]。

圖1 無人機(jī)低空航拍遙感平臺框圖

2．喀斯特高原山區(qū)無人機(jī)低空航拍作業(yè)流程

(1)適航條件分析

在確定航拍任務(wù)后，需首先針對航拍區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)勘察，確定航拍區(qū)域范圍，并充分收集航拍區(qū)域的有關(guān)地形圖、影像等資料數(shù)據(jù)，了解航拍地區(qū)的地形地貌、氣候條件及附近有無重要設(shè)施(如機(jī)場、國家重大基礎(chǔ)設(shè)施、軍事管理區(qū)等)，并進(jìn)行分析研究，確定航拍區(qū)域的飛行條件，以便制定翔實(shí)的航拍實(shí)施方案。航拍前需確定地面分辨率，并根據(jù)喀斯特高原山區(qū)特殊的地形地貌不斷調(diào)整設(shè)計(jì)合適的航線重疊率。

(2)起降場地選擇

因?yàn)橘F州喀斯特高原山區(qū)特殊的地形地貌，起飛和降落場地一般選擇在同一場地，以便于發(fā)生緊急情況時(shí)溝通、協(xié)調(diào)，起降場地周圍不能有電信等大功率無線電發(fā)射設(shè)備，以避免影響無人機(jī)遙控器和地面監(jiān)控站通信。起飛降落場地需要選在地面平坦、開闊的區(qū)域，并且降落方向要求200 m以內(nèi)基本無突出障礙物、高壓電線、高大樹木以及無線電設(shè)施，以避免與無人機(jī)發(fā)生相撞事故，如果有風(fēng)，選擇逆風(fēng)起降，起降跑道長度一般要求在150 m以上，且需筆直平整，如果實(shí)在找不到平坦開闊的降落場地，可以充分利用無人機(jī)本身的起落架高度，考慮在航拍區(qū)域內(nèi)較為平坦、開闊的稻田等農(nóng)用地降落。

(3)傳感器參數(shù)定位

試驗(yàn)用無人機(jī)傳感器采用目前國內(nèi)無人機(jī)航拍使用最為頻繁的Canon EOS 5D MarkⅡ(36 mm×24mm)數(shù)碼單反高分辨率相機(jī)，其主要參數(shù)為：傳感器類型為CMOS，快門速度為1/8000 s，像素為5616×3744，像元大小6．41 um，最大有效像素2110萬。由于相機(jī)的精準(zhǔn)檢校對于航拍影像加工意義重大，航拍時(shí)采用的相機(jī)均實(shí)行了嚴(yán)格的相機(jī)檢校制度和使用制度，以保證無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)的加工精度，由于相機(jī)檢校工作的專業(yè)性和特殊性，檢校工作委托專業(yè)相機(jī)檢校機(jī)構(gòu)協(xié)助完成。

(4)飛行參數(shù)設(shè)置

航拍試驗(yàn)采用專業(yè)設(shè)置的航線規(guī)劃軟件進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，航線規(guī)劃充分考慮貴州山區(qū)地形特點(diǎn)，天氣條件，設(shè)計(jì)合理的拐彎半徑與飛行速度，利用地面控制系統(tǒng)軟件在無人機(jī)飛行前進(jìn)行任務(wù)航路規(guī)劃，在無人機(jī)飛行過程中顯示飛行區(qū)域的電子地圖、航跡、飛行參數(shù)、飛機(jī)的姿態(tài)航向參數(shù)。飛行中所有飛行參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)下傳并記錄。操作者可通過航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整進(jìn)行各種任務(wù)的控制執(zhí)行。地面控制系統(tǒng)的人機(jī)界面讓操作者可方便的修改航路點(diǎn)、目標(biāo)航向并監(jiān)視飛行狀態(tài)。

(5)無人機(jī)飛行操作

在經(jīng)過上述步驟準(zhǔn)備后，接著由無人機(jī)操控手與地面站工作人員共同完成無人機(jī)的飛行。操控手負(fù)責(zé)無人機(jī)的起飛與降落，在無人機(jī)起飛至300 m高空，飛行姿態(tài)平穩(wěn)時(shí)，切換至無人機(jī)自駕模式，由地面站工作人員負(fù)責(zé)按預(yù)先規(guī)劃航線飛行，進(jìn)入規(guī)劃航線切入點(diǎn)，發(fā)送指令開始按規(guī)劃航線進(jìn)行飛行航拍。當(dāng)完成航線飛行后，利用預(yù)設(shè)航線控制無人機(jī)盤旋逐步降高至300 m高空時(shí)，切換至由無人機(jī)操控手利用遙感器進(jìn)行控制，并將無人機(jī)逆風(fēng)降落在預(yù)定降落場地，至此航拍工作完成(如圖2所示)。

圖2 航拍影像數(shù)據(jù)處理流程圖

三、無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)與處理

采用上述無人機(jī)作業(yè)流程，于2010年9月到2011年10月間，針對貴州喀斯特高原山區(qū)日益嚴(yán)重的石漠化問題，針對不同地形地貌，對石漠化嚴(yán)重地區(qū)及石漠化綜合治理區(qū)進(jìn)行了多次航拍試驗(yàn)，獲取了貴州大方縣桶井示范區(qū)、貴州石阡縣湯山鎮(zhèn)、貴州三都水族自治縣三合鎮(zhèn)、貴州省平塘縣平湖鎮(zhèn)的數(shù)千張遙感影像數(shù)據(jù)，并對影像進(jìn)行了后期處理。

上述影像處理主要依據(jù)航拍照任務(wù)完成后的航片資料、相機(jī)檢校參數(shù)文件和像控文件等外業(yè)成果進(jìn)行相對定向、利用外控糾正提高精度、絕對定向等工作，生成DEM、DOM正射影像，然后將影像拼接、調(diào)色。其具體流程為：首先獲取航飛的原始相片、相機(jī)參數(shù)、像控資料，并檢查這些數(shù)據(jù)是否滿足相應(yīng)要求。接著根據(jù)具體飛行任務(wù)建立具體的航拍飛行數(shù)據(jù)處理工程，并將航拍時(shí)傳感器參數(shù)輸入，將其轉(zhuǎn)換為影像處理流程中所需要的數(shù)據(jù)格式，利用MAPAT專業(yè)航攝處理軟件剔除粗差，得到較準(zhǔn)確的空三結(jié)果，并加入外業(yè)像控，檢驗(yàn)并提高DEM、DOM的精度，然后進(jìn)行絕對定向平差，將整個航拍區(qū)域統(tǒng)一到地面坐標(biāo)系內(nèi)。最后將影像糾正生成正射影像，進(jìn)行拼接、調(diào)色、分幅，生成高分辨率的影像產(chǎn)品[3-4](如圖3、圖4所示)。

圖3 生成的正射影像圖(石漠化現(xiàn)狀調(diào)查區(qū))

圖4 生成的正射影像圖(石漠化綜合治理區(qū))

四、航攝質(zhì)量分析

無人機(jī)低空遙感影像獲取方式是基于自動定點(diǎn)拍攝和遙感影像實(shí)時(shí)下傳的，得到的數(shù)據(jù)是否滿足航攝測量要求，與無人機(jī)航拍時(shí)的航向重疊率、旁向重疊率、航線彎曲度、像片旋偏角以及航高差密切相關(guān)。按照航空遙感的一般要求，航帶彎曲度不超過3%，像片旋偏角小于6°，拍攝時(shí)的航向重疊率為60%，最小不得小于 53%，旁向重疊率為30%，最小不得小于15%。在貴州喀斯特山區(qū)進(jìn)行的4次試驗(yàn)飛行中，考慮到該區(qū)的天氣因素及無人機(jī)性能指標(biāo)因素對航拍圖片拼接的影響，設(shè)計(jì)了航向重疊率為75%，旁向重疊率為45%[5-6]，航拍時(shí)航帶彎曲度最大值只有1．195，像片旋偏角都在5°以內(nèi)，試驗(yàn)飛行時(shí)的航高差均未超過15 m，飛行平穩(wěn)度較高，試驗(yàn)證明這一設(shè)定比較適合貴州高原山區(qū)的航拍作業(yè)，基于這一設(shè)定條件下拍攝的影像經(jīng)檢驗(yàn)，其航帶直線型、像片的重疊度與旋偏角以及航高差均能滿足攝影測量要求與影像質(zhì)量要求。通過多次試驗(yàn)飛行，在相機(jī)焦距為24mm，假設(shè)航線數(shù)為2，每條航線數(shù)照片為8張的情況下，對無人機(jī)航拍時(shí)的作業(yè)高度與影像質(zhì)量關(guān)系作了進(jìn)一步探討，其關(guān)系如表1所示。

表1 無人機(jī)作業(yè)高度與影像質(zhì)量關(guān)系表

五、結(jié) 論

通過幾次在貴州喀斯特高原山區(qū)不同地形地貌的試驗(yàn)飛行，總結(jié)了一些無人機(jī)遙感平臺在該區(qū)應(yīng)用中存在的問題，并提出了一些解決方法。

1)以貴州為典型代表的喀斯特高原山區(qū)，山高谷深、溝壑縱橫、地形起伏較大，且多云霧天氣，常規(guī)的航空攝影很難開展航拍工作，試驗(yàn)結(jié)果表明，無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)系統(tǒng)將是該區(qū)域獲取高分辨率影像的最為有效的方式與手段，必將成為喀斯特高原山區(qū)對地觀測體系中不可或缺的重要組成部分。

2)貴州喀斯特高原山區(qū)很難找到理想的起降場地，具有彈射起飛和傘降功能的無人機(jī)遙感平臺將是首選，由于該區(qū)地形起伏高差太大，當(dāng)需要分次分區(qū)拍攝時(shí)，宜采用空中改變航高與地面監(jiān)測站高度的方法，以減低無人機(jī)起降帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3)要使無人機(jī)在貴州喀斯特高原山區(qū)成為理想的遙感平臺，遙感傳感器技術(shù)應(yīng)根據(jù)不同類型的遙感任務(wù)，致力開發(fā)更多相應(yīng)的機(jī)載遙感設(shè)備，多光譜成像儀、激光掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達(dá)等，選用的遙感傳感器應(yīng)具備數(shù)字化、體積小、重量輕、精度高、存儲量大、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

4)4次試驗(yàn)飛行所采用的無人機(jī)遙感系統(tǒng)平臺、航拍技術(shù)以及影像處理流程是切實(shí)可行的，可廣泛應(yīng)用于喀斯特高原山區(qū)的數(shù)字化農(nóng)業(yè)、國土資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、交通管理、數(shù)字化林業(yè)等眾多領(lǐng)域。

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