胡朝暉

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院圖文信息中心，重慶401331）

0 引言

小型無(wú)人機(jī)特別是微型無(wú)人機(jī) （翼展寬度＜1.5m）具有不受場(chǎng)地限制、不必申請(qǐng)空域（國(guó)家對(duì)1 000米以下的空域不實(shí)行管制）和平臺(tái)構(gòu)建、維護(hù)以及作業(yè)成本極低的優(yōu)點(diǎn)，裝配數(shù)碼相機(jī)以后可以作為簡(jiǎn)單的可見(jiàn)光遙感系統(tǒng)使用。

無(wú)人機(jī)遙感具有如下的好處：（1）只要天氣條件允許均可隨時(shí)飛行；（2）實(shí)時(shí)獲取影像資料；（3）可以實(shí)現(xiàn)低成本影像獲取；（4）可以作為衛(wèi)星遙感和有人機(jī)遙感的有益補(bǔ)充，在小區(qū)域、低空領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是由于載荷的限制，相機(jī)無(wú)法安裝三軸的自穩(wěn)定云臺(tái)，因此遙感圖像受姿態(tài)影響很嚴(yán)重。飛行器在飛行的過(guò)程中，姿態(tài)(偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn))、高度、速度等因素不斷變化，勢(shì)必會(huì)對(duì)地面目標(biāo)的成像產(chǎn)生影響，發(fā)生畸變。

所獲得的地面遙感圖像主要有兩種應(yīng)用：一是確定地面的感興趣目標(biāo)點(diǎn)的位置，這對(duì)于未知區(qū)域的可疑目標(biāo)發(fā)現(xiàn)或作為炮兵的近距離火力校射都有用處；二是對(duì)地面做有重疊的連續(xù)拍攝，通過(guò)地面軟件處理生成大面積數(shù)字地圖。

1 微型無(wú)人機(jī)遙感硬件平臺(tái)構(gòu)成

1.1 無(wú)人機(jī)及遙控系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)以EPO泡沫為材質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)身抗摔性強(qiáng)，能有效保護(hù)機(jī)身內(nèi)設(shè)備安全。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式采用中段腰推式驅(qū)動(dòng)，較前拉式驅(qū)動(dòng)減少飛機(jī)墜落時(shí)螺旋槳及電機(jī)對(duì)地面人或物的損害程度。

遙控系統(tǒng)為國(guó)產(chǎn)天地飛8通道2.4G控制器和接收機(jī)，除了飛機(jī)常用的副翼、升降、方向、油門4個(gè)通道外，其他通道還用于飛機(jī)自駕時(shí)的幾種模式切換，包括手動(dòng)遙控、姿態(tài)增穩(wěn)、定點(diǎn)盤旋、自動(dòng)返航等。

1.2 遙感系統(tǒng)

遙感系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，其主要功能是利用地面上空的飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的遙感器收集地面數(shù)據(jù)資料，并從中獲取信息，經(jīng)記錄、傳送、分析和判讀來(lái)識(shí)別地物。低空遙感系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）受天氣影響較小，作業(yè)方式靈活；（2）平臺(tái)建設(shè)與后期維護(hù)成本極低；（3）飛行高度較低，可以獲得大比例尺高精度影響，在較小區(qū)域內(nèi)獲取信息具有巨大優(yōu)勢(shì)；（4）對(duì)千米以下空域國(guó)家不實(shí)施管制，不必申請(qǐng)空域；（5）獲取的影像重疊率高，提高了后期處理影像的可靠性。

本文實(shí)驗(yàn)中采用的系統(tǒng)是桂林飛宇FY-31AP，它是一款慣性姿態(tài)平衡儀系統(tǒng)和簡(jiǎn)易自動(dòng)駕駛儀，可用于固定翼飛機(jī)或者簡(jiǎn)易三軸云臺(tái)。FY31AP硬件設(shè)備與其數(shù)傳電臺(tái)連接后，在GCS地面站軟件實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）自動(dòng)平衡：FY-31AP可以在任何天氣情況下自動(dòng)保持飛機(jī)的水平飛行姿態(tài)。

（2）航線飛行：連接GPS模塊后就可以實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定的航點(diǎn)自動(dòng)飛行，目前可以設(shè)定8個(gè)航點(diǎn)。

（3）自動(dòng)返航：連接GPS模塊后可以切入自動(dòng)返航模式，飛行器會(huì)保持當(dāng)前的高度自動(dòng)飛回返航點(diǎn)，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后盤旋飛行。

（4）自動(dòng)盤旋：連接GPS模塊后可以切入定點(diǎn)盤旋模式，飛行器會(huì)保持當(dāng)前的高度，以切入點(diǎn)為圓心盤旋飛行，盤旋半徑可以設(shè)定,默認(rèn)半徑是80米。

（5）GCS地面站軟件：連接數(shù)傳電臺(tái)設(shè)備后，可以通過(guò)電腦端的地面站軟件設(shè)定飛行路徑、飛行參數(shù)，監(jiān)控和記錄飛行軌跡等。

（6）所有飛行記錄參數(shù)均以txt格式保存在電腦上，便于后期處理影像和回放飛行過(guò)程。

1.3 飛行作業(yè)方式

1.3.1 制作航線地圖并規(guī)劃航線

首先，利用Google earth地圖剪切制作需要拍攝區(qū)域的地圖并轉(zhuǎn)換為符合遙測(cè)系統(tǒng)使用的地圖文件。根據(jù)地圖規(guī)劃一個(gè)準(zhǔn)確的航線設(shè)計(jì)，便于后期對(duì)拍攝所得的正投影照片進(jìn)行分析和處理。一般來(lái)講，最佳航線規(guī)劃為“S”型，能確保所航拍的路徑無(wú)遺漏。

1.3.2 地面測(cè)試整套系統(tǒng)

航拍任務(wù)需要飛行系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)均正常工作才能完成，因此在起飛前確保無(wú)人機(jī)上天以后所有工作設(shè)備的可靠性，在起飛前一定要做好每一項(xiàng)功能的檢測(cè)。依次做好飛行系統(tǒng)的副翼、升降、方向舵、油門控制、自動(dòng)平衡、自動(dòng)返航、自動(dòng)盤旋等飛行功能的檢查；遙測(cè)系統(tǒng)的控制范圍、周邊是否有過(guò)強(qiáng)干擾信號(hào)源、系統(tǒng)供電充足等。

1.3.3 獲取航拍照片

飛機(jī)通過(guò)滑跑起飛，將攝像機(jī)固定于飛機(jī)腹部正下方，設(shè)置為間隔5秒自動(dòng)拍照一次。起飛后，手動(dòng)將高度拉升至200米高度，通過(guò)自駕系統(tǒng)將飛機(jī)設(shè)置為定點(diǎn)盤旋模式，通過(guò)電腦設(shè)置其航拍所需要飛行高度和盤旋半徑。遙測(cè)系統(tǒng)將參數(shù)確認(rèn)之后，將自動(dòng)控制飛行進(jìn)入預(yù)定高度和盤旋半徑。然后再通過(guò)預(yù)設(shè)航線功能，飛機(jī)將自動(dòng)沿預(yù)設(shè)航線進(jìn)行飛行。此時(shí)，位于飛機(jī)腹部的相機(jī)每間隔5秒將整個(gè)飛行過(guò)程中的航拍圖記錄下來(lái)。我們以某大學(xué)新校區(qū)為飛行航拍區(qū)，飛行記錄以及地面站控制效果如圖1。

圖1 飛行記錄以及地面站控制效果圖

2 遙感圖像處理

2.1 數(shù)據(jù)構(gòu)成

2.1.1 飛行記錄數(shù)據(jù)

FY31-AP的飛行記錄文件以txt文檔保存，記錄文件格式內(nèi)容如下：

……

#DATA1,1,10,1,2,1,,0,0,0,2936.9981,

10618.1054 ,85.91,52.2,589,60.48,302.9,223,3.1*

#DATA3,-2,13,1315,1731,1467,1450,0*

#DATA2,00,60,293,36,2937.0360,10618.0860,2936.9673,10617.9712,0,0,054658,110911,28,0,0,0,0*

……

從#DATA1第九個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始，其意義依次為：緯度、經(jīng)度、航向、時(shí)速、海拔高度、？、氣壓高度、目標(biāo)距離、側(cè)偏距。

2.1.2 影像數(shù)據(jù)

提取照片影像數(shù)據(jù)生成時(shí)間和GPS時(shí)間，將所有照片影像在其航線上的GPS位置及飛行姿態(tài)信息用自己開(kāi)發(fā)的軟件通過(guò)半自動(dòng)化方式將其關(guān)聯(lián)，如圖2。

圖2 航拍照片顯示結(jié)果

2.2 幾何校正

雖然微小型無(wú)人機(jī)體積小，但其穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力較差。即使裝有自動(dòng)駕儀與增穩(wěn)陀螺設(shè)備，但在拍照過(guò)程中還是會(huì)出現(xiàn)飛行姿態(tài)傾斜或者受風(fēng)影響而抖動(dòng)，而相機(jī)本身也存在鏡頭的幾何畸變。這就要求首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正。傳感遙感圖像的幾何校正利用最小二乘法，使用多項(xiàng)式作為變換函數(shù)進(jìn)行幾何校正。對(duì)于地面相對(duì)平坦的情況，校正精度好。直接對(duì)像變形本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，認(rèn)為遙感圖像的幾何畸變可以看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、彎曲等基本變形的合成。因而校正前后圖像相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)變換可以用一個(gè)適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式來(lái)表達(dá)[1]。圖3為航拍照片和幾何校正后的照片對(duì)比。

圖3 航拍照片幾何校正后的對(duì)比圖

最后，我們將4幅獨(dú)立的某大學(xué)校門的航拍圖校正后，通過(guò)PhotoShop CS3的PhotoMerge拼接在一起，組成完整的效果圖，如圖4（邊緣部分已剪去）。

圖4 航拍照片校正效果圖

3 結(jié)語(yǔ)

低成本無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，以低成本、低空域、靈活機(jī)動(dòng)的方式獲取清晰度較高的航拍照片。在地質(zhì)勘測(cè)、違法用地查處、市政設(shè)施觀察等領(lǐng)域有一定的使用價(jià)值，但后期大面積自動(dòng)航拍圖像處理的開(kāi)源軟件還不多，人工處理工作量較大。

后期還應(yīng)采用更穩(wěn)定的飛機(jī)模型作為載機(jī)以及具備自駕和控制相機(jī)快門的飛控系統(tǒng)，以提高航拍照片的正投影效果和重疊率，使后期的照片處理工作效率更高。

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