連 蓉

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于重慶市綦江區(qū)永新鎮(zhèn)，鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)地貌屬丘陵類(lèi)型，面積約為1.5 km2。首先采用天鷹-1000型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行低空攝影，獲取具有一定重疊度的影像并對(duì)其進(jìn)行飛行質(zhì)量檢查；然后利用NPHO數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)分別進(jìn)行了基于POS數(shù)據(jù)及利用區(qū)域內(nèi)歷史資料選取像控點(diǎn)2種方式的空中三角測(cè)量、DEM制作及編輯、DOM糾正、DOM鑲嵌勻色等工作，最終對(duì)2種方式生產(chǎn)的DOM成果的精度及質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，如圖1所示。

2 四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成及航空攝影

2.1 四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成

本研究所用的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為天鷹-1000型。其通過(guò)陀螺儀、加速計(jì)、GPS位置、方向傳感器、高度傳感器等進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)和控制，有效穩(wěn)定了飛行姿態(tài)。搭載奧林巴斯 EP-3相機(jī)，可控制俯仰和滾轉(zhuǎn)的相機(jī)云臺(tái)帶陀螺自穩(wěn)功能，能夠進(jìn)行低空影像拍攝。具體參數(shù)如表1所示。

表1 天鷹-1000四旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)表

地面操控系統(tǒng)主要功能包括航線(xiàn)規(guī)劃、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和飛行數(shù)據(jù)后處理，其中航線(xiàn)規(guī)劃是基于mdCockpit模塊進(jìn)行的，可利用其設(shè)置及執(zhí)行基于航點(diǎn)導(dǎo)航的自動(dòng)飛行并支持現(xiàn)場(chǎng)改變已經(jīng)規(guī)劃好的航線(xiàn)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接傳輸主要是下傳鏈路解碼器中接收的飛行器在飛行中的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)流，可讓操控手時(shí)刻掌握飛行器當(dāng)前的位置、狀態(tài)和可能出現(xiàn)的意外，還可被追蹤及記錄，以便在飛行器發(fā)生意外時(shí)盡早將其找回；飛行數(shù)據(jù)后處理是指飛行器中內(nèi)置的SD卡上面的飛行記錄數(shù)據(jù)，可追蹤所有輸入到飛控板及導(dǎo)航版中的傳感器信息，以及航攝過(guò)程中的相片及視頻數(shù)據(jù)，完成飛行后，還可通過(guò)mdCockpit讀取及分析數(shù)據(jù)。四旋翼飛行器及地面操控系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 航線(xiàn)規(guī)劃及低空攝影

本系統(tǒng)采用mdCockpit應(yīng)用程序，基于谷歌地圖對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分析，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)地形及航飛范圍進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃。根據(jù)測(cè)區(qū)情況，本次試驗(yàn)規(guī)劃航線(xiàn)數(shù)6條，每條航線(xiàn)15張影像，設(shè)計(jì)航線(xiàn)重疊度為75%，旁向重疊度為35%，如圖3所示。

2013年1月10日，利用天鷹-1000型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，對(duì)重慶市綦江區(qū)永新鎮(zhèn)進(jìn)行了航空攝影，航飛參數(shù)如表2所示。

表2 航飛參數(shù)

3 飛行質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 相片重疊度

按照低空數(shù)字航空攝影要求，影像航向重疊率為60%～80%，不得小于53%；旁向重疊率為15%～60%，不得小于8%。本次飛行試驗(yàn)考慮到測(cè)區(qū)高差、天氣以及飛機(jī)性能等因素，設(shè)計(jì)航向重疊率為75%，旁向重疊率為35%。根據(jù)相機(jī)曝光時(shí)刻的記錄信息，利用軟件按重疊度排列，進(jìn)行了檢查，整個(gè)航攝區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)漏洞現(xiàn)象，且滿(mǎn)足航片重疊率的要求。

3.2 相片旋角

低空無(wú)人機(jī)航攝相片旋角與傳統(tǒng)航空攝影旋偏角略有不同，是指相鄰2張影像同名像點(diǎn)重合后，其相鄰相片邊線(xiàn)的夾角。按照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求，相片旋角一般不大于15°，個(gè)別不大于30°，在同一航線(xiàn)上旋角超過(guò)20°的相片不超過(guò)3片，超過(guò)15°的相片數(shù)不超過(guò)總數(shù)的10%。本次航攝影像檢查后每條航線(xiàn)內(nèi)最大旋偏角如表3所示。

表3 各航帶最大旋偏角/°

3.3 航線(xiàn)彎曲度

航線(xiàn)彎曲度是指航線(xiàn)兩端相片主點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離與偏離該直線(xiàn)的最遠(yuǎn)像主點(diǎn)到該直線(xiàn)的垂直距離之比，一般采用%表示。一般規(guī)定，航帶彎曲度不得超過(guò)3% 。其計(jì)算公式為：

式中，E為航線(xiàn)彎曲度；?L為像主點(diǎn)偏離航線(xiàn)首末像主點(diǎn)連線(xiàn)的最大距離；L為航線(xiàn)首末像主點(diǎn)連線(xiàn)的長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)航飛數(shù)據(jù)的檢查，各航帶彎曲度見(jiàn)表4。

表4 各航帶最大彎曲度

3.4 航高保持

航高變化直接影響影像重疊度及攝影比例尺。按照規(guī)范要求，同一航線(xiàn)，相鄰相片航高差不應(yīng)大于30 m，最大航高與最小航高差不應(yīng)大于50 m。利用飛機(jī)自帶航跡文件，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)各航帶最大航高差進(jìn)行了檢查，其中最后3條航帶高差超限約10 m。結(jié)合當(dāng)時(shí)飛行情況可知，風(fēng)力是造成飛行不穩(wěn)定的主要原因，后續(xù)飛行中需注意天氣情況。各航帶航高差見(jiàn)表5。

表5 航帶最大航高差/m

4 影像正射糾正處理

天鷹-1000型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自帶GPS及慣導(dǎo)裝置，可直接獲取相片的外方位元素，且已有試驗(yàn)表明，利用POS系統(tǒng)獲取的影像定向參數(shù)可直接用于數(shù)字正射影像圖的制作，本文通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證2種方式的DOM成果質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)1：采用無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)自帶的GPS、方向及高度傳感器裝置獲取的POS信息直接定向進(jìn)行正射影像糾正；實(shí)驗(yàn)2：利用區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有歷史資料選取像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密，進(jìn)行正射影像糾正。最后對(duì)2種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 空三加密

1）利用POS數(shù)據(jù)直接定向。低空無(wú)人飛機(jī)飛行的不穩(wěn)定性使其獲取的外方位元素存在粗差及突變，在利用POS輔助平差前可對(duì)其進(jìn)行一定優(yōu)化。首先利用飛機(jī)獲取的外方位元素中的線(xiàn)元素（GPS）進(jìn)行同名像點(diǎn)匹配，并進(jìn)行平差得到新的外方位元素。這一過(guò)程可有效地對(duì)原始POS信息進(jìn)行優(yōu)化，并剔除部分粗差。在相片外方位元素已知的情況下，當(dāng)量測(cè)了一對(duì)同名像點(diǎn)后，即可利用前方交會(huì)計(jì)算出對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)1即采用INPHO數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)直接運(yùn)用已知的外方位元素進(jìn)行定向并輸出加密點(diǎn)結(jié)果。

2）利用歷史資料選取像控點(diǎn)進(jìn)行空中三角測(cè)量。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)最高精度的歷史資料為1∶1萬(wàn)DLG和1∶1萬(wàn)DEM，利用其選擇了13個(gè)平高點(diǎn)。受歷史資料現(xiàn)勢(shì)性所限，其分布無(wú)法完全按照規(guī)范要求布設(shè)，如圖4所示。利用INPHO數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上添加控制點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行平差。

由于2種方式都無(wú)高精度外業(yè)像控點(diǎn)，因此無(wú)法有效評(píng)價(jià)其精度，后續(xù)將通過(guò)DOM成果檢核其精度。完成加密后，基于2種結(jié)果分別進(jìn)行DEM生產(chǎn)及DOM糾正，以其中1種為例。

4.2 DEM生成及編輯

DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)集，主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布。本試驗(yàn)直接利用空三加密成果進(jìn)行立體建模并生成DSM，需對(duì)其進(jìn)行編輯形成DEM，如圖5所示。

4.3 正射糾正

利用編輯好的DEM對(duì)單個(gè)模型進(jìn)行數(shù)字微分糾正，生產(chǎn)正射影像，如圖6所示。

4.4 影像勻色及鑲嵌

1）勻色。在鑲嵌前需對(duì)測(cè)區(qū)影像進(jìn)行全局均衡勻色處理，消除影像間色差，實(shí)現(xiàn)多幅影像間的色彩平衡。利用INPHO軟件可提供自動(dòng)勻色處理，如圖7所示。

2）鑲嵌。對(duì)糾正后的單幅正射影像利用INPHO自帶的智能鑲嵌模式自動(dòng)避開(kāi)房屋建筑等明顯地物。該模式可解決大部分鑲嵌線(xiàn)穿越重要地物的問(wèn)題，但仍有小部分需要人工干預(yù)編輯，如圖8所示。

4.5 正射影像質(zhì)量檢查

4.5.1 輻射質(zhì)量

影像的輻射質(zhì)量主要從影像的亮度和色彩2方面進(jìn)行檢查，一般采用目視檢查法，主要包括整幅圖色調(diào)是否均勻，反差及亮度是否適中，影像拼接處色調(diào)是否一致，是否存在斑點(diǎn)、拉花痕跡等。本次試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，其影像色彩均衡，飽和度適中、自然，無(wú)明顯接邊痕跡。

4.5.2 精度檢查

利用相同位置的5個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)2種方式生產(chǎn)的DOM的平面位置精度進(jìn)行了檢查，見(jiàn)表6。

表6 DOM檢查點(diǎn)精度對(duì)比表

通過(guò)表6可知，實(shí)驗(yàn)1的DOM成果精度高于實(shí)驗(yàn)2。同時(shí)目視檢查2種成果與歷史DLG套合效果可知，通過(guò)歷史資料選點(diǎn)進(jìn)行加密精度明顯優(yōu)于POS直接定向精度，如圖10所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)影像飛行質(zhì)量的分析可知，利用天鷹-1000型四旋翼無(wú)人機(jī)獲取的影像除飛行航高略超限外，其他均滿(mǎn)足低空作業(yè)規(guī)范及正射影像生產(chǎn)的要求。

2）利用四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)獲取的POS信息可直接用于定向生產(chǎn)，其結(jié)果精度取決于POS精度。本次試驗(yàn)的DOM偏差最大為17.2 m，后續(xù)生產(chǎn)可綜合考慮天氣情況，穩(wěn)定飛行質(zhì)量，提升POS精度。

3）通過(guò)基于歷史資料選取像控點(diǎn)進(jìn)行DOM生產(chǎn)，可大幅提升結(jié)論2）的成果精度，因此建議當(dāng)測(cè)區(qū)內(nèi)有高精度歷史資料時(shí)，可充分加以利用，從而提高DOM成果精度。

4）由于四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性能高，只需約10 m2的開(kāi)闊空間即可起飛，無(wú)需輾轉(zhuǎn)選擇起飛場(chǎng)地，本次試驗(yàn)從航線(xiàn)計(jì)劃到90張影像獲取共計(jì)用時(shí)4 h。由于筆者第一次接觸四旋翼無(wú)人機(jī)，在前期數(shù)據(jù)分析和反復(fù)測(cè)試中花了較長(zhǎng)時(shí)間，但熟悉后該試驗(yàn)區(qū)用3 h即可形成DOM結(jié)果。

通過(guò)筆者對(duì)國(guó)內(nèi)各測(cè)繪單位及四旋翼無(wú)人機(jī)飛行器的調(diào)研了解，四旋翼無(wú)人機(jī)作為一種新型無(wú)人機(jī)操控系統(tǒng)，目前在測(cè)繪、應(yīng)急等方面的應(yīng)用還很有限。而對(duì)其研究和分析后發(fā)現(xiàn)，四旋翼較固定翼相比，其機(jī)動(dòng)性更高、更靈活、更安全，更適應(yīng)于小區(qū)域的城市密集區(qū)及起飛條件不佳的環(huán)境，尤其是應(yīng)急救援方面。在后續(xù)的工作中，我們應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，將其與固定翼相結(jié)合形成多層級(jí)互補(bǔ)。

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