王莉，胡開(kāi)全

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

固定翼無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域的應(yīng)用研究

王莉，胡開(kāi)全

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

闡述了固定翼無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域的應(yīng)用。研究無(wú)人機(jī)在山地區(qū)域的適宜機(jī)型、影像獲取、慣導(dǎo)輔助空三和3D產(chǎn)品制作，以及應(yīng)用示范等。并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，提出固定翼無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的改進(jìn)建議。

固定翼無(wú)人機(jī)；低空遙感；山地區(qū)域；像素工廠；慣導(dǎo)

1 前 言

重慶具有山高林密、地形起伏大、水網(wǎng)密布等地形特征，多云多霧，地形與氣象條件在我國(guó)具有特殊性，應(yīng)用常規(guī)航空攝影和衛(wèi)星遙感難以快速獲取高分辨率遙感影像。無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，為解決重慶地區(qū)高分辨率遙感影像的快速獲取提供了新的思路和方法。

無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有體積小、重量輕、探測(cè)精度高，受天氣影響較小，機(jī)動(dòng)快速、成本低的優(yōu)勢(shì)，能快速獲取高分辨率遙感影像。具有對(duì)地快速實(shí)時(shí)調(diào)查監(jiān)測(cè)能力，是衛(wèi)星遙感與載人飛行航空遙感的重要補(bǔ)充，已成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用與研究的熱點(diǎn)之一。

本文針對(duì)重慶地區(qū)特殊的地理?xiàng)l件和氣候因素，以固定翼無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)用于高分辨率影像獲取，基于像素工廠進(jìn)行影像處理，并進(jìn)行產(chǎn)品制作及應(yīng)用研究。

2 無(wú)人機(jī)的選擇

山地區(qū)域山高谷深，溝壑縱橫，地形起伏大。無(wú)人駕駛直升機(jī)雖然能夠定點(diǎn)起飛、降落，對(duì)起降場(chǎng)地的要求不高，但是其結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，操控難度大，其平穩(wěn)、勻速性不能滿足測(cè)繪的精度要求，因此實(shí)際應(yīng)用比較少。而滑跑起降的固定翼無(wú)人機(jī)，很難在山地區(qū)域找到平直、寬闊的公路用于起降。即使偶爾找到，也需要交通部門(mén)配合，中斷交通，將影響正常的交通秩序。具有彈射起飛和傘降功能的固定翼無(wú)人機(jī)，其起飛和降落，只需要一塊比較空曠平整的場(chǎng)地即可，是山地區(qū)域測(cè)繪應(yīng)用的首選。

3 影像獲取

由于固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用的是氣壓高度計(jì)，雖然在導(dǎo)航中也有GPS高度，但是控制系統(tǒng)是根據(jù)氣壓高度計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)飛行高度。氣壓高度計(jì)利用空氣壓力隨高度的增加而減小的變化規(guī)律，通過(guò)測(cè)定壓力來(lái)確定相對(duì)應(yīng)的高度，其靈敏度欠佳。而山地區(qū)域地形起伏較大，空氣壓力變化也較大，因此從安全考慮，航線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保留充裕的空間。

山地區(qū)域地形起伏高差較大，很多時(shí)候需要分?jǐn)z區(qū)，而固定翼無(wú)人機(jī)最容易發(fā)生安全事故是在起飛和降落的時(shí)候。因此，宜用空中改變航高的方法進(jìn)行航攝，以減少無(wú)人機(jī)起降的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，如果場(chǎng)地周?chē)懈叽蟮纳降?，可能?huì)影響地面監(jiān)控站與無(wú)人機(jī)的直接通信，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，此時(shí)最好在山地最高處架設(shè)第二監(jiān)控站，或者派人員在山地最高處觀察無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，并做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

無(wú)人機(jī)每次飛行前，必須仔細(xì)檢查系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)是否正常。在航攝過(guò)程中由飛行師、監(jiān)控師、地勤師、機(jī)務(wù)師共同配合，完成無(wú)人機(jī)的檢查、起飛、攝影和傘降回收等工作。

4 影像處理

無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)由于自身重量、操控特性、風(fēng)力的影響，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法同載人航空攝影及衛(wèi)星遙感平臺(tái)相比，其航攝的像片傾角、旋角，以及航線彎曲度比較大。同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)因載荷較小的原因，多采用體積小、重量輕的非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，因此像幅小，相對(duì)于航空攝影像片數(shù)量多。如果采用傳統(tǒng)航測(cè)空三加密作業(yè)，需要的像控點(diǎn)數(shù)較多。而且重慶山地區(qū)域山高林密，對(duì)于像控點(diǎn)測(cè)量工作難度較大，效率低下。由于無(wú)人機(jī)基本上都裝備有GPS、IMU系統(tǒng)，雖然精度較低，但是可以選擇適宜的慣導(dǎo)輔助空中三角測(cè)量軟件，充分利用、優(yōu)化其慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，以有效減少地面像控點(diǎn)數(shù)量，縮短成圖周期，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)對(duì)當(dāng)前主流空中三角測(cè)量軟件測(cè)試對(duì)比，在利用無(wú)人機(jī)影像的GPS、IMU數(shù)據(jù)方面，像素工廠(PixelFactory)相對(duì)而言效果比較好。

像素工廠內(nèi)建的框幅相機(jī)傳感器模型在傳統(tǒng)6個(gè)內(nèi)外方位元素模型基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)航拍相機(jī)越來(lái)越多的使用非量測(cè)相機(jī)，配備IMU、GPS系統(tǒng)等特點(diǎn)，一方面將相機(jī)內(nèi)部多種畸變差進(jìn)行建模，另一方面，將整個(gè)IMU_GPS系統(tǒng)納入傳感器模型內(nèi)，同時(shí)還考慮了相機(jī)與平臺(tái)的對(duì)應(yīng)幾何位置關(guān)系等，將整個(gè)航拍系統(tǒng)的模型作為平差項(xiàng)，同時(shí)根據(jù)各個(gè)誤差項(xiàng)的各自物理意義進(jìn)行分組綁定，在此控制以及約束下，滿足以最少的同名點(diǎn)和稀少控制點(diǎn)進(jìn)行平差達(dá)到成圖需要的精度要求。而且包含具有強(qiáng)大計(jì)算能力的若干個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

以重慶市巴南區(qū)木洞片區(qū)采用傘降型固定翼無(wú)人機(jī)實(shí)施航攝項(xiàng)目(如圖1所示)為例，測(cè)區(qū)范圍約10 km2(黑色線)，山地地形，按1∶2000比例尺制作3D產(chǎn)品。航攝有效面積27 km2，共13條航線，554張相片(灰色點(diǎn)為片號(hào))，地面分辨率0.12 m。外業(yè)實(shí)測(cè)像控點(diǎn)56個(gè)(P點(diǎn))，加密使用分布四角的4個(gè)控制點(diǎn)(紅色點(diǎn))。

圖1 測(cè)區(qū)范圍、控制點(diǎn)及像主點(diǎn)示意圖

采用像素工廠系統(tǒng)，利用IMU_GP數(shù)據(jù)輔助建立影像間的相互關(guān)系，對(duì)影像進(jìn)行匹配得到連接點(diǎn)，利用特征點(diǎn)優(yōu)化外方位元素，之后再反復(fù)匹配提取特征點(diǎn)和優(yōu)化外方位元素，直至所有特征點(diǎn)有一個(gè)均勻、牢固且精度好的匹配結(jié)果。然后引入地面控制點(diǎn)，聯(lián)合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算，輸出畸變糾正后的影像和外方位元素及連接點(diǎn)的像方、物方坐標(biāo)。加密成果精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所示(除去已使用的4個(gè)基本定向點(diǎn)外，在其余的51個(gè)P點(diǎn)中隨機(jī)、均勻的抽取11個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn))。

加密成果精度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)表1

5 產(chǎn)品制作

(1)數(shù)字高程模型制作

像素工廠利用影像及其外方位元素建立立體像對(duì)，重采樣獲取核線影像后，按照像素級(jí)匹配生成各像對(duì)的子DSM，再對(duì)所有子DSM進(jìn)行鑲嵌獲取整個(gè)測(cè)區(qū)的DSM。通過(guò)濾波和結(jié)合人工修改等方法編輯DSM，獲取真實(shí)地形的高程模型。

此外，也可采用導(dǎo)出的空三成果建立立體模型，采集三維特征點(diǎn)線面的矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)TIN內(nèi)插獲取數(shù)字高程模型。

(2)數(shù)字正射影像圖制作

像素工廠利用具有外方位元素的影像資料和DTM，先糾正出單張的“瓦片”DOM，然后自動(dòng)生成鑲嵌線進(jìn)行鑲嵌，同時(shí)對(duì)所有單片正射影像作全局的勻光勻色。像素工廠自動(dòng)生成的鑲嵌線能有效避開(kāi)密集房屋區(qū)，智能程度較高，編輯鑲嵌線時(shí)能實(shí)時(shí)顯示修改結(jié)果，可有效提高生產(chǎn)效率。

如果有大重疊度(旁向和航向重疊度均大于80%)影像，像素工廠利用具有外方位元素的影像資料和DSM，參考地物高程、入射角度等因素，自動(dòng)選擇入射角垂直的影像進(jìn)行采樣，生成真正射影像。

(3)數(shù)字線劃圖制作

像素工廠不具有立體模型采集功能，因此只能利用其空三加密結(jié)果，采用第三方軟件建立立體模型進(jìn)行數(shù)字線劃圖采集與編輯。由于無(wú)人機(jī)影像像幅小，需要頻繁切換立體模型，因此，選擇可自動(dòng)切換模型的MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件進(jìn)行立體測(cè)圖，可在一定程度上提高生產(chǎn)效率。

6 精度檢核

外業(yè)隨機(jī)實(shí)測(cè)平面位置58個(gè)點(diǎn)，包括房角、壩角、魚(yú)塘角、圍墻角、陡坎交叉點(diǎn)等明顯地物。內(nèi)業(yè)將外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位展繪，再在立體模型上找到外業(yè)點(diǎn)位表示的地物進(jìn)行采集，然后與外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。平面精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

隨機(jī)實(shí)測(cè)高程點(diǎn)58個(gè)點(diǎn)。內(nèi)業(yè)將外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位展繪，再在立體模型上同樣平面位置采集高程數(shù)據(jù)，然后與外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。高程精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

外業(yè)實(shí)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)表2

7 應(yīng)用示范

(1)3D產(chǎn)品制作

應(yīng)用固定翼低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取重慶市墊江縣、豐都縣、潼南縣、永川區(qū)、涪陵區(qū)、巴南區(qū)、開(kāi)縣等區(qū)域約2 000 km2的高分辨率低空航攝影像，并利用航攝成果制作1∶2 000數(shù)字線劃地形圖、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型等產(chǎn)品。

(2)搶險(xiǎn)救災(zāi)

應(yīng)用固定翼低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，對(duì)重慶市城口縣廟壩鎮(zhèn)堰塞湖滑坡體進(jìn)行了低空高分辨率航攝，通過(guò)影像快速拼接，展現(xiàn)堰塞湖滑坡災(zāi)害現(xiàn)狀，為搶險(xiǎn)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)地理信息。

(3)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治

應(yīng)用固定翼低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行低空航攝，通過(guò)對(duì)不同時(shí)期的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換檢測(cè)，并計(jì)算其滑動(dòng)量和滑坡體，為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)監(jiān)測(cè)與防治提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料。

(4)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)

應(yīng)用固定翼低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)定期對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝，利用獲取的多期影像資料對(duì)擬監(jiān)測(cè)方面(如交通、房屋、植被等)進(jìn)行變化統(tǒng)計(jì)分析，為領(lǐng)導(dǎo)管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

(5)工程建設(shè)項(xiàng)目管理

在重慶市悅來(lái)國(guó)際會(huì)展中心超大型工程項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)用固定翼低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取工程項(xiàng)目的不同時(shí)期建設(shè)場(chǎng)景，結(jié)合工程進(jìn)度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超大型工程項(xiàng)目的建設(shè)管理。

(6)與三維仿真技術(shù)結(jié)合

應(yīng)用固定翼低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取高分辨率影像，結(jié)合三維仿真技術(shù)，進(jìn)行三維建模，直觀的展現(xiàn)開(kāi)發(fā)區(qū)地物地貌；同時(shí)還可以利用地形三維進(jìn)行輔助選址、場(chǎng)平設(shè)計(jì)與土石方量計(jì)算，為城市規(guī)劃管理、招商引資等提供服務(wù)。

8 結(jié)論及建議

在重慶這種地理、氣候均具有特殊性的區(qū)域，常規(guī)航空攝影和衛(wèi)星遙感均難以實(shí)施。而固定翼無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)、靈活、低成本等特點(diǎn)，將是獲取地理信息數(shù)據(jù)的一種有效方式。

雖然固定翼無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，但是還有待改進(jìn)和改善。如進(jìn)一步提高已裝配的IMU_GPS精度，以更充分發(fā)揮其輔助空中三角測(cè)量的作用和成圖精度；研發(fā)并裝配高精度、高穩(wěn)定度、輕小型的三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)，以提高成像質(zhì)量；研發(fā)并裝配輕型、大幅面的量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)，以增大像幅；進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)的操控性、機(jī)體的抗摔性和高度測(cè)量的敏感性，以提高安全性能；以及在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，選擇適宜的軟件以有效提高生產(chǎn)效率等。

[1] 胡開(kāi)全，張俊前.固定翼無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在山地區(qū)域影像獲取研究[J].北京測(cè)繪，2011(3)：35-37.

[2] 將云志.低空小像幅航空攝影測(cè)量及其推廣運(yùn)用[J].測(cè)繪技術(shù)，1993(1)：21-24.

[3] 夔中羽，錢(qián)育華，呂振洲.遙控飛機(jī)在航空遙感實(shí)踐中的應(yīng)用及評(píng)價(jià)[J].影像材料，2001(5)：25-27.

[4] 徐柳華.無(wú)人飛行器影像處理研究及其實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009

[5] 周潔萍，龔建華，王濤等.汶川地震災(zāi)區(qū)無(wú)人機(jī)遙感影像獲取與可視化管理系統(tǒng)研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2008，12 (6)：877-884.

[6] 孫杰，林宗堅(jiān)，崔紅霞.[J].遙感信息，2003(01)：49-50.

[7] 何敬，李永樹(shù)，徐京華等.無(wú)人機(jī)影像制作大比例尺地形圖實(shí)驗(yàn)分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2009(8)：24-27.

[8] 劉慶元，徐柳華，沈彩蓮等.基于無(wú)人飛行器遙感影像的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2010，35 (1)：28-30.

武漢市地理市情監(jiān)測(cè)啟動(dòng)暨2012年測(cè)繪地理信息成果發(fā)布會(huì)隆重召開(kāi)

(本刊訊)2012年12月27日，武漢市地理市情監(jiān)測(cè)啟動(dòng)暨2012年測(cè)繪地理信息成果發(fā)布會(huì)在武漢市政府禮堂101會(huì)議室隆重召開(kāi)。會(huì)議由武漢市政府王繼連副秘書(shū)長(zhǎng)主持，胡立山副市長(zhǎng)出席并講話。武漢大學(xué)李斐副校長(zhǎng)，武漢市政協(xié)副主席、武漢市國(guó)土規(guī)劃局張文彤局長(zhǎng)，湖北省測(cè)繪局柯美忠副局長(zhǎng)出席了此次會(huì)議。武漢市政府有關(guān)部門(mén)和各區(qū)政府領(lǐng)導(dǎo)參加了會(huì)議。

會(huì)上，武漢市國(guó)土規(guī)劃局總工汪普查宣讀了武漢市政府辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)的《武漢市地理市情監(jiān)測(cè)工作方案》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)工作方案)。工作方案明確了武漢市開(kāi)展地理市情監(jiān)測(cè)工作的指導(dǎo)思想與總體目標(biāo)、組織模式和工作內(nèi)容以及工作安排和具體要求。隨后，胡立山、李斐、張文彤、柯美忠等領(lǐng)導(dǎo)同志共同為武漢大學(xué)與武漢市測(cè)繪研究院“地理國(guó)情監(jiān)測(cè)聯(lián)合研究中心”揭牌。市國(guó)土規(guī)劃局張文彤局長(zhǎng)和省測(cè)繪局柯美忠副局長(zhǎng)分別在講話中闡明了從國(guó)家到地方的各級(jí)政府對(duì)地理國(guó)(市)情監(jiān)測(cè)工作重視程度以及基礎(chǔ)測(cè)繪和地理國(guó)(市)情監(jiān)測(cè)的重要關(guān)系。胡立山副市長(zhǎng)最后發(fā)表講話。他強(qiáng)調(diào)了開(kāi)展地理市情工作的重要性和必要性，提出了“以實(shí)施基礎(chǔ)測(cè)繪規(guī)劃為重點(diǎn)，夯實(shí)地理市情監(jiān)測(cè)工作基礎(chǔ)；以創(chuàng)新市情監(jiān)測(cè)手段為抓手，提升測(cè)繪地理信息保障能力；以實(shí)現(xiàn)資源共建共享為保障，健全地理市情監(jiān)測(cè)工作機(jī)制”的要求。同時(shí)指出，武漢市政府各部門(mén)應(yīng)強(qiáng)化責(zé)任意識(shí)，落實(shí)責(zé)任分工，按照工作方案的部署，本著“建設(shè)同參與，成果共分享”的原則，建立順暢高效的工作機(jī)制，確保各項(xiàng)工作落到實(shí)處。

最后，與會(huì)領(lǐng)導(dǎo)們向參會(huì)代表贈(zèng)送了《2012武漢市地理信息藍(lán)皮書(shū)》，發(fā)布了年度測(cè)繪地理信息成果。此次會(huì)議也標(biāo)志著武漢市地理市情監(jiān)測(cè)工作正式啟動(dòng)。

(武漢市測(cè)繪研究院 張夏陽(yáng)供稿)

Research on app lications of fixed-w ing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions

Wang Li，Hu Kaiquan
(Chongqing Survey Institute，400020)

This paper principally elaborated on the application of fixed-wing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions.We have done research on the following aspects:appropriate UAV type selection when used inmountain region，image capturing，inertial aided aerotriangulation，3D products Manufacturing and application demonstration，etc.Besides，in accordance with the needs of practical application，we make recommendations for improvement of fixedwing UAV low altitude remote sensing system.

fixed-wing UAV；low altitude remote sensing；mountain region；pixel factory；inertial aided

1 6 7 2-8 2 6 2(2 0 1 3)01-5-04

P 2 3 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2012—09—01

王莉(1976—)，女，高級(jí)工程師，主要從事信息工程建設(shè)及質(zhì)量管理

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題：(2011BAH12B07-03)