陳笑峰 周興霞 廖 露 陳思思

(四川省測繪地理信息局測繪技術(shù)服務(wù)中心，四川 成都610000)

1 概述

無人機航攝技術(shù)具有靈活機動、高效快捷等優(yōu)點，在小區(qū)域及困難地區(qū)影像快速獲取等方面具有顯著優(yōu)勢[1]，已廣泛應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測[2]、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[3]、地理國情監(jiān)測[4]等領(lǐng)域，可有效滿足應(yīng)急測繪天地一體、快速機動的要求。而在火災(zāi)等特殊情況下對數(shù)據(jù)時效性要求非常高，應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)對實時獲取的大量遙感數(shù)據(jù)進行快速處理，而在前方的無人機小組受地形、應(yīng)急狀況等情況往往無法攜帶高性能的圖形工作站組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理工作，即使進行快拼影像處理也需要至少2 小時時間，迫切需要更快、更便捷的方式來直觀展現(xiàn)火線實時情況。

綜上所述，本文立足于無人機航攝技術(shù)在四川省應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用，研究基于POS 數(shù)據(jù)的無人機航片快速糾正，并成功應(yīng)用于“2020 年涼山州森林火災(zāi)應(yīng)急測繪保障工作”應(yīng)急測繪保障，為前線指揮部、省森林草原防滅火指揮中心等各級政府和有關(guān)部門開展決策部署、應(yīng)急救援、災(zāi)情評估和災(zāi)后重建等工作提供了快速、準確、優(yōu)質(zhì)的災(zāi)情地理信息服務(wù)，并歸納總結(jié)了該技術(shù)在提升應(yīng)急測繪保障中的作用。

2 已知數(shù)據(jù)分析

2.1 POS 數(shù)據(jù)

POS/AV (Position and Orientation System for Airborne Vehicles) 系統(tǒng)專門為機載傳感器的地理定位設(shè)計，能通過高精度集成的GPS 和慣性測量裝置(Inertial Measurement Unit, IMU)[5], 提供該傳感器實時或后處理的位置、翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角度等信息,如圖1 所示為部分POS 數(shù)據(jù)。

圖1 POS 數(shù)據(jù)

2.2 影像數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)包含飛行獲取的所有原始航片，文件類型為jpeg格式，本身不帶坐標信息，如圖2 所示。

圖2 影像數(shù)據(jù)

其他數(shù)據(jù)包含數(shù)碼相機檢校報告、像素大小、畸變系數(shù)、焦距f 等數(shù)據(jù)。

3 基于Arcgis Engine 實現(xiàn)航片快速糾正

3.1 實現(xiàn)思路

圖3 設(shè)計方案

根據(jù)POS 數(shù)據(jù)里提供的每張航片中心點坐標、航片行列值,對每張航片賦予坐標值, 依據(jù)坐標值可實現(xiàn)航片的快速糾正和相關(guān)指標運算。

3.1.1 航高獲取和計算成圖分辨率

通過已知飛行航片中心點坐標L0 和B0 獲取對應(yīng)地面Srtm_DEM 的高程，計算出：

航高H = 飛行高度(H0)- 地面Srtm_DEM 的高程（H1）（1）

計算地面分辨率Gsd(m)公式如下：

3.1.2 航帶圖框改正

對影像進行幾何校正，根據(jù)已知三個角度航向角(κ)、俯仰角(ψ)和側(cè)偏角(ω) 對航片范圍進行改正，使用共線方程9 個系數(shù):a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3, 由以下公式計算旋轉(zhuǎn)系數(shù)，POS 數(shù)據(jù)記錄的拍攝點坐標為經(jīng)緯度坐標（L0，B0），進行俯仰、側(cè)偏和航向角改正之前需要經(jīng)緯度坐標換算成WGS84 坐標系下進行投影后的平面坐標（X0，Y0），從而計算出影像四角點的坐標。

根據(jù)共線方程算出改正后的航拍范圍坐標和分辨率對影像進行糾正和重采樣，如圖4 為基于ArcEngine 開發(fā)的糾正工具。其中配準:pRasterGeometryProc.Warp (inpSourceControlPoints,outPTargetControlPoints,PTransformTypeout, inpRaster) ;//inpSourceControlPoints 為原始坐標點集, outPTargetControlPoints為目標坐標點集,PTransformTypeout 為配準方式, inpRaster 為柵格數(shù)據(jù)。

保存柵格數(shù)據(jù):pRasterGeometryProc.Rectify (outRasterName,outRasterFormat, outpRaster) ;// outRasterName 為柵格名稱,outRasterFormat 為柵格格式, outpRaster 為柵格數(shù)據(jù)。

3.1.3 投影并輸出kmz 文件

柵格數(shù)據(jù)的坐標系轉(zhuǎn)換, 包括該柵格坐標系的定義及投影坐標系的轉(zhuǎn)換，主要用到ArcEngine 的IGeoDatasetSchemaEdit 接口、IGeoProcessor 接口和ProjectRaster 類[7]。柵格數(shù)據(jù)的坐標系轉(zhuǎn)換應(yīng)先設(shè)置輸入坐標系和輸出坐標系。部分代碼如下:

pProjectRaster.in_coor_system = pInputCoorSystem;// 設(shè)置輸入數(shù)據(jù)的坐標系。

pProjectRaster.out_coor_system = pOutputCoorSystem;// 設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的坐標系。pProjectRaster.in_raster = pInputRaster;//設(shè)置輸入的柵格。pProjectRaster.out_raster = poutputRaster;//設(shè)置輸出的柵格。pGPProcessout = pProjectRaster as IGPProcess;pGeoprocessor.Execute (pGPProcessout, null) ;

最后將影像投影到經(jīng)緯度坐標并輸出kmz 文件，方便加載到其他影像地圖上。

圖5 投影輸出工具

3.2 糾正結(jié)果

圖6 上圖為糾正后的影像，上半部分被濃煙覆蓋，中間位置可以看見很明顯的火線，圖6 下圖為疊加到Google 地球上進行展示：

圖6 糾正結(jié)果

4 典型應(yīng)用

2020 年3 月26 日起，四川省涼山彝族自治州境內(nèi)冕寧縣、西昌市、木里藏族自治縣等多地連續(xù)突發(fā)森林火災(zāi)，火勢蔓延，時刻威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全。按省測繪應(yīng)急指揮中心緊急部署，中心立即啟動測繪保障應(yīng)急預(yù)案，迅速集結(jié)應(yīng)急測繪保障隊伍，攜無人機、靜中通、動中通等多套應(yīng)急裝備，緊急奔赴災(zāi)情現(xiàn)場開展火情偵察，火場地處溝深、谷窄、高差大山區(qū)，氣流紊亂，無人機只能順溝或盤旋進行升降，并在火場上方300 米高空執(zhí)行火勢火情偵察任務(wù)，獲取明火點可見光及熱紅外視頻數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星實時回傳至后方指揮中心，并同步開展森林火災(zāi)視頻影像應(yīng)急專題圖制作，為前線指揮部、省森林草原防滅火指揮中心等各級指揮部門及時掌握火點精確位置、輪廓、蔓延方向等現(xiàn)場火情態(tài)勢、指揮調(diào)度直升機開展吊桶滅火和地面消防人員滅火提供了重要支撐。

結(jié)束語

四川測繪地理信息局在應(yīng)急測繪保障工作研究的基礎(chǔ)上，通過基于POS 的無人機航片快速糾正，再疊加現(xiàn)有影像地圖實現(xiàn)了全面直觀的展示航片和火線位置，用于災(zāi)情研判、災(zāi)后過火面積統(tǒng)計、災(zāi)損分析與評估等工作提供了重要的地理信息支撐，同時后方同步制作影像應(yīng)急專題圖，實現(xiàn)了無人機在應(yīng)急測繪保障方面的典型示范，提升了無人機應(yīng)急測繪保障服務(wù)能力。