周 輝，王旭東，趙青蘭

(陜西省農業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

基于低空遙感的無人機航片獲取與處理

周 輝，王旭東，趙青蘭

(陜西省農業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

以無人機為平臺的低空遙感是衛(wèi)星遙感的有力補充，快速獲取并批量處理航拍影像，最大程度體現(xiàn)低空遙感數據的高分辨率和高時效性，是當前亟需解決的問題。從低空遙感的角度，介紹了無人機航拍影像的獲取方法，并以渭河西安段無人機航拍影像為數據源，介紹了航拍數據的后期處理及專題圖制作。由于無人機航拍獲取的數據質量可靠、分辨率高、時效性強，因此在災害應急、災情調查、環(huán)境監(jiān)測、土地利用調查等領域應用前景廣闊。

低空遙感；航片；影像處理

低空遙感多采用無人機方式進行拍攝，拍攝投入成本相對低廉，搭載設備一般采用定焦的單反相機或者像素較高的卡片機，采用GPS系統(tǒng)進行定位，快速獲取高質量數據。數據精度取決于飛行高度和飛行姿態(tài)控制。無人機可在云下低空飛行，不受云層遮擋影響，是衛(wèi)星遙感數據不可缺少的補充。目前低空遙感數據多被直接應用于災情調查、應急指揮等方面。

低空遙感航拍數據的瓶頸主要是影像邊緣變形嚴重，誤差較大。另外，無人機飛行姿態(tài)控制受近地面空氣對流和風力影響較大，造成航片畸變嚴重，給后期數據處理帶來困難。在應急服務中，對無人機航片的后期處理在時間和效率有較高要求，如何快速處理數以百計的航片，在最短時間內將處理結果投入到應急服務當中，是低空遙感航拍亟需解決的問題。從低空遙感的角度，介紹了無人機航拍影像的獲取方法，并以渭河西安段無人機航拍影像為數據源，介紹了航拍數據的后期處理及專題圖制作。

1 無人機航片影像獲取

1.1 無人機航拍平臺構成

無人機航拍平臺由空中飛行系統(tǒng)和地面支撐系統(tǒng)組成?？罩酗w行系統(tǒng)包括飛行自動控制系統(tǒng)、無線通訊感應系統(tǒng)和無人機；地面支撐系統(tǒng)包括飛行控制系統(tǒng)、航線規(guī)劃系統(tǒng)、無線傳輸指令收發(fā)系統(tǒng)、數據接收系統(tǒng)。空中飛行系統(tǒng)主要負責無人機按照既定航線飛行和按照指令進行姿態(tài)調整，無線通訊感應系統(tǒng)將指令上傳到飛行控制器上，并且負責將無人機各項飛行參數傳回地面；地面支撐系統(tǒng)主要負責飛行航線的設計、規(guī)劃、調整，無人機的實時控制，飛行狀態(tài)數據(海拔、速度等)的實時接收。飛行數據通過無線傳輸通道傳回地面控制子系統(tǒng)，地面工作人員可在終端監(jiān)控到飛機航線、與下一個航點的距離、飛行速度、飛行高度、高度變化率等狀態(tài)數據。如在飛行過程中遇到突發(fā)情況，地面控制人員可通過無線通訊系統(tǒng)實時向飛行自動控制系統(tǒng)發(fā)送改變航線、即時返回起始點、臨時迫降等指令。飛機完成既定航線并返回起始點進入視距范圍后，由地面飛控手切換為手動控制，實現(xiàn)安全降落(傘降或者滑降視場地情況而定)。

1.2 航拍影像獲取過程

以渭河中游西安段為航拍區(qū)域為例，航拍區(qū)域西起渭河機場2號橋，東至涇渭分明點，沿渭河兩岸設置2條航線，航線單向26 km，無人機起降位置位于渭河北岸渭河電廠附近，飛機時速60 km/h,飛行高度300 m，航拍時長50 min，預設相機拍攝間隔時間為4 s，航向重疊率60%，旁向重疊率40%，共獲取圖片476張，圖像分辨率達到亞米級。

選定天氣狀況良好、風力不大的時段，按照預定航線飛行，數碼相機定焦無窮遠，避免自動變焦造成影像模糊。由于無人機載荷有限，且風力在可承受范圍內，并沒有額外增加穩(wěn)定相機鏡頭的裝置，只能在飛行準備工作中，做好無人機前后配重，使得相機鏡頭方向始終垂直于地面，并且固定好相機位置，防止飛行過程中相機偏移。飛行中可通過調整飛行姿態(tài)來改變相機的垂直度。此外，數碼相機拍攝量較大，數據存儲無法實時傳回地面，只能保存在大容量存儲卡中。在起飛準備過程中，固定好相機位置，盡量保持相機鏡頭垂直于地面，設置好相機分辨率，確保存儲卡空間足夠，保證相機電池電量足夠完成本次航拍。在地面控制系統(tǒng)中，預設相機拍攝時間間隔為4 s，拍攝時間間隔可在飛行過程中視風向變化做出調整，順風時可減小時間間隔，逆風時可增大時間間隔。飛機由手動控制起飛，地面控制系統(tǒng)將預設好的航線通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)給無人機飛行控制系統(tǒng)，飛行狀態(tài)穩(wěn)定后，切換為自動控制，無人機進入自動控制模式，按照既定航線飛行。飛行過程中，相機會按照預定的時間間隔定時拍攝，并將圖像自動保存在存儲卡上。

2 航拍影像后期處理

影像的后期處理包括色彩平衡、自動拼接、手動拼接、影像手動配準、添加投影、裁剪、航拍合成圖出圖、專題圖制作等。

2.1 影像色彩平衡

造成影像顏色有差異的原因主要有：無人機飛行高度的實時變化、順風和逆風時由于飛行姿態(tài)導致的相機鏡頭和地面垂直度的實時變化、去程和返程時太陽光線入射角度發(fā)生改變等。

2.2 影像拼接

自動拼接的原理是通過相鄰影像之間的匹配，獲得大量同名點，同名點經過自動測算后，即可快速拼接出相鄰影像，在航向重疊率和旁向重疊率都滿足條件的情況下，可進行批量拼接，這種快速拼接出圖效率較高，適用于災情調查、應急指揮等對時效性要求較高的情況。航向和旁向重疊率如果不滿足條件，將無法完成拼接或者拼接出現(xiàn)較大誤差?？焖倨唇拥膯栴}集中表現(xiàn)在影像接邊處變形嚴重，尤其是拼接后的影像邊緣處，存在幾何級數變形。部分影像由于變形較大，若進行自動拼接會造成系統(tǒng)性誤差，需要進行手動拼接。

2.3 影像手動配準和校正

(1)利用地面控制點配準。在渭河野外調查控制點中找到典型地物點且在本次航拍區(qū)域內，根據控制點坐標，對拼接后的影像進行手動配準，添加投影，由于航拍區(qū)域是典型條帶狀區(qū)域，這些控制點數量有限，不能均勻分布在條帶區(qū)域內，使得配準誤差真實存在。

(2)利用GoogleEarth影像進行粗校正。在GoogleEarth上找到典型不變地物，根據其坐標，訂正配準后的航拍影像圖，提高其精度。

2.4 影像專題圖合成

由于缺少和本次航拍區(qū)域時間匹配較好且準確率較高的地形圖作為參考，也無足夠的地面控制點進行精度驗證，并且航拍區(qū)域為條帶狀，使得對拼接后的影像進行空中三角測量和生成正射影像變得難度極大。因此，影像后期處理的重心集中在典型區(qū)域的航拍影像合成圖、渭河河道水情航拍合成圖、涇渭分明點航拍合成圖、渭河大橋及兩岸土地利用現(xiàn)狀圖等專題圖的制作。

2.5 精度驗證

利用GoogleEarth中與其時相最接近的衛(wèi)星數據，驗證本次航拍影像合成圖的坐標精度，由于航拍區(qū)域的條帶狀特性造成的邊緣變形客觀存在，航拍區(qū)域邊緣的坐標精度明顯低于中心區(qū)域，渭河河道所在的中心區(qū)域坐標精度基本滿足應用需求。航拍合成影像圖的空間分辨率超過GoogleEarth的，達到亞米級。

3 結語

使用無人機進行低空遙感航拍，準備過程復雜，飛行計劃縝密，后期數據處理繁瑣，但獲取的數據可靠，分辨率和時效性高，低空航拍數據是衛(wèi)星遙感數據的有力補充，在災害應急、災情調查、環(huán)境監(jiān)測、土地利用調查等領域有廣闊的應用前景。無人機低空遙感的數據精度取決于相機的穩(wěn)定與否和無人機飛行姿態(tài)的控制等方面，可考慮為搭載設備安裝云臺，以克服因飛行姿態(tài)不穩(wěn)定造成的鏡頭搖擺。

周輝，王旭東，趙青蘭.基于低空遙感的無人機航片獲取與處理 [J].陜西氣象，2014(6)：43-45.

1006-4354(2014)06-0043-03

2014-06-26

周輝(1979—)，男，漢族，山東金鄉(xiāng)人，學士，工程師，從事衛(wèi)星遙感應用工作。

P407.8

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