張燕文

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西太原 030619）

0 前言

攝影測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)當(dāng)中的一種補(bǔ)充性測(cè)量手段，現(xiàn)代低空遙感技術(shù)應(yīng)用中，利用無人機(jī)設(shè)備攝影參與測(cè)量具有安全性高、數(shù)據(jù)信息獲取速度快以及測(cè)繪信息動(dòng)態(tài)精確等多方面優(yōu)勢(shì)?；跓o人機(jī)技術(shù)進(jìn)行的低空遙感技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用成為當(dāng)前小范圍地理環(huán)境測(cè)量的主要技術(shù)手段。近年來無人機(jī)攝影技術(shù)快速發(fā)展，越來越多新的技術(shù)手段開始應(yīng)用于低空遙感領(lǐng)域，為提高精度、降低成本提供了技術(shù)支持。低空遙感平臺(tái)攝影測(cè)量技術(shù)主要采用無人機(jī)設(shè)備搭建飛行平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)高精度、高靈活度和低成本目標(biāo)。為了提升圖像處理精確性，攝影測(cè)量的平臺(tái)化應(yīng)用主要采用數(shù)字正射影響DOM 技術(shù)來參與圖像處理，實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)

1 低空遙感測(cè)量中無人機(jī)攝影技術(shù)優(yōu)勢(shì)

小范圍內(nèi)的遙感測(cè)量要求更高的影像分辨率才能夠達(dá)到高精度的測(cè)繪要求。低空遙感測(cè)量當(dāng)中無人機(jī)攝影系統(tǒng)主要能夠快速完成對(duì)某一具體區(qū)域的遙感圖像采集，方便快捷，效率更高。相較于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，低空遙感無人機(jī)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有以下2 個(gè)方面。

1.1 承載能力強(qiáng)

近年來無人機(jī)輕體化發(fā)展，在極大提升了無人機(jī)靈活性的同時(shí)，也增強(qiáng)了無人機(jī)本身的承載能力。實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)設(shè)備對(duì)于場(chǎng)地環(huán)境寬容度更高，除了平坦陸地環(huán)境之外，山區(qū)、海洋、湖泊等極為復(fù)雜的地形環(huán)境和不易到達(dá)的區(qū)域，無人機(jī)也能夠憑借自身承載能力實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)起降。應(yīng)用無人機(jī)攝影系統(tǒng)進(jìn)行低空遙感，能夠避免人類活動(dòng)對(duì)于原本生態(tài)環(huán)境的迫害，同時(shí)動(dòng)態(tài)化的無人機(jī)遙感測(cè)量還能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)境、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等實(shí)時(shí)分析，為地形測(cè)繪工作提供質(zhì)量保障。

1.2 工作效率更高

結(jié)合工作環(huán)境中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比傳統(tǒng)遙感測(cè)繪技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，低空無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)際工作中有效效率提升幅度達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備的30 倍以上，單機(jī)單日單次攝影覆蓋率更高。同時(shí)，與傳統(tǒng)GPS 以及GIS 技術(shù)相比，無人機(jī)攝影測(cè)量從低空高精度出發(fā)，獲得的攝影圖像更清晰、更直觀，能夠滿足實(shí)際的地理信息測(cè)繪要求，提高相關(guān)生產(chǎn)效率。實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)設(shè)備操作便捷，學(xué)習(xí)成本較低，對(duì)于外業(yè)工作人員的技術(shù)性要求不高，外業(yè)測(cè)繪中相關(guān)工作人員能夠在短時(shí)間內(nèi)完成自動(dòng)化信息處理和導(dǎo)出，極大地縮減了人力成本的投入。

2 低空遙感攝影測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)

2.1 DOM 技術(shù)的應(yīng)用

DOM（Digital Orthophoto Map，數(shù)字正射影像）是當(dāng)前無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)當(dāng)中的主要技術(shù)手段，該技術(shù)手段在低空遙感測(cè)量當(dāng)中主要通過不同的投影方式對(duì)所獲得的數(shù)字影響數(shù)據(jù)基于投影差進(jìn)行修正，已達(dá)到高精度的影像信息獲取需要，有效避免因數(shù)字影像畸變所帶來的誤差。目前低空遙感中所采用的數(shù)字正射影響技術(shù)主要應(yīng)用DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）來參與微分糾正，進(jìn)而獲得正射的數(shù)字影像。

低空遙感中DOM 主要的技術(shù)特征包含3 個(gè)方面。

（1）DOM 技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)際用戶遙感測(cè)量的需要，進(jìn)行比例尺、分辨率以及所使用的數(shù)據(jù)量的自由設(shè)置，獲得的數(shù)據(jù)信息能夠應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地管理等部門。應(yīng)用中獲取信息內(nèi)容可以基于遙感平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸和信息共享。

（2）DOM 技術(shù)所獲取到的影像數(shù)據(jù)信息更豐富。DOM 技術(shù)參與的低空遙感攝影測(cè)量，能夠保證無人機(jī)的攝影位置與實(shí)際環(huán)境情況的反映保持一致，信息更全面真實(shí)，獲取圖像中色彩信息還原度高，層次更豐富，能夠?yàn)槠渌乩硇畔a(chǎn)品提供更細(xì)致的觀測(cè)數(shù)據(jù)，幫助傳統(tǒng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)當(dāng)中無法通過實(shí)地勘察獲取到的測(cè)量環(huán)節(jié)提供更詳細(xì)精確的信息資料。

（3）DOM 技術(shù)還有著面向多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)性，能夠?yàn)椴煌募夹g(shù)領(lǐng)域提供遙感信息技術(shù)支持。其中較為典型的應(yīng)用領(lǐng)域如道路交通、農(nóng)田規(guī)劃、水文地理等，DOM 技術(shù)都能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)覆蓋或提供必要的技術(shù)支持。

2.2 無人機(jī)硬件技術(shù)配套支持

近年來國(guó)內(nèi)無人機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，誕生了一大批具有高水準(zhǔn)高質(zhì)量的無人機(jī)硬件設(shè)備，其中以大疆為代表的商用無人機(jī)系統(tǒng)推出了ACE 系統(tǒng)、多旋翼飛行控制系統(tǒng)等優(yōu)秀的控制系統(tǒng)，并提供了諸如三軸手持云臺(tái)等硬件支持。與優(yōu)秀的無人機(jī)硬件系統(tǒng)搭配，主要采用DPgrid 分布式并行信息技術(shù)，可以針對(duì)無人機(jī)硬件系統(tǒng)的獲取信息進(jìn)行影像后期處理，充分發(fā)揮兩個(gè)平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)。

DOM 本身要求影像生成需要具備更詳細(xì)的紋理信息和幾何屬性，而大疆平臺(tái)的無人機(jī)設(shè)備能夠?yàn)槠涮峁┣岸说挠布脚_(tái)化支持，強(qiáng)化低空遙感攝影測(cè)量的整體質(zhì)量。

3 低空遙感平臺(tái)攝影測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 低空攝影測(cè)量的技術(shù)機(jī)制

航空攝影主要是針對(duì)地理環(huán)境進(jìn)行比例尺地形圖回執(zhí)，通過攝影形式實(shí)現(xiàn)同比例尺下的地理信息圖像還原。但是在以往的技術(shù)應(yīng)用中，航空攝影測(cè)量存在小范圍內(nèi)存在遮擋導(dǎo)致信息丟失或信息失真問題，整體飛行成本過高，經(jīng)濟(jì)性較差以及對(duì)于地理環(huán)境起降場(chǎng)地要求較為苛刻，無法實(shí)現(xiàn)多地形條件應(yīng)用等諸多問題。因此在低空遙感攝影測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要著重體現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本和整體穩(wěn)定性等方面優(yōu)勢(shì)。

低空無人機(jī)系統(tǒng)主要解決傳統(tǒng)飛行系統(tǒng)面臨的各種問題，其中整體質(zhì)量輕，更加靈活，更具承載力以及飛行高度更低獲取信息更全面等優(yōu)勢(shì)，使無人機(jī)系統(tǒng)成為低空遙感平臺(tái)攝影測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在執(zhí)行飛行任務(wù)之前，對(duì)當(dāng)前所需采集的航攝區(qū)域相關(guān)資料信息進(jìn)行采集和分析，結(jié)合給出的相關(guān)資料內(nèi)容，對(duì)飛行攝影當(dāng)天的區(qū)域內(nèi)天氣狀況、航攝區(qū)域內(nèi)是否存在同高障礙物等情況進(jìn)行分析判斷。并以此為設(shè)計(jì)原則，設(shè)置飛行線路、所采用的飛行方式、飛行時(shí)段和航高數(shù)據(jù)，制定完整全面的飛行計(jì)劃。無人機(jī)攝影飛行需避免彎曲度過大等航線問題，防止產(chǎn)生影像畸變，導(dǎo)致精確度下降。

3.2 無人機(jī)設(shè)備的分析與選用

無人機(jī)是現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中主要運(yùn)用的航空攝影設(shè)備，在實(shí)際工作運(yùn)行中，無人機(jī)通過搭載攝影裝置與傳感器之間進(jìn)行信息互通，同時(shí)利用GPS 進(jìn)行航飛路線的規(guī)劃，進(jìn)行預(yù)定線路內(nèi)的飛行拍攝。拍攝的實(shí)際影像會(huì)記錄在光柵圖像中，完成飛行后，需要對(duì)獲取的光柵圖像進(jìn)行軟件處理，從地理位置信息、內(nèi)容比對(duì)等方面來完成完整航攝區(qū)域地理信息圖像的整合。

目前廣泛應(yīng)用于民商領(lǐng)域的無人機(jī)主要有無人飛艇、固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)以及傘翼無人機(jī)等多種類型。在低空遙感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的體量最小，運(yùn)行速度最高，靈活性更強(qiáng)，是主要選用的無人機(jī)設(shè)備。

3.3 無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)一般由3 個(gè)部分共同組成，其中包括空控系統(tǒng)、地控系統(tǒng)以及后期處理系統(tǒng)。

其中空控系統(tǒng)即為空中控制系統(tǒng)，主要裝載于無人機(jī)設(shè)備之上，其中包括遙感傳感器、無人機(jī)平臺(tái)以及遙感控制裝置。其中遙感傳感器主要進(jìn)行攝影信息的獲取和傳輸，其中包括相機(jī)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備，在運(yùn)行中獲取相關(guān)的攝影信息數(shù)據(jù)；無人機(jī)平臺(tái)主要是指無人機(jī)搭載傳感器的硬件平臺(tái)；遙感控制系統(tǒng)為實(shí)時(shí)控制中心，主要針對(duì)無人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)進(jìn)行管控，同時(shí)獲取GPS 天線信息數(shù)據(jù)，對(duì)無人機(jī)飛行位置信息進(jìn)行搜集和記錄。

地控系統(tǒng)是指地面控制系統(tǒng)，即為位于地面的控制指揮中心。其中包含航跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)顯示等環(huán)節(jié)。航跡規(guī)劃通過預(yù)制線路規(guī)劃數(shù)據(jù)和實(shí)際航攝區(qū)情況進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，為無人機(jī)飛行提供線路指揮，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)主要從傳感器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息獲取，并以影像呈現(xiàn)方式傳輸至電子顯示系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行可視化的呈現(xiàn)，幫助控制指揮人員對(duì)運(yùn)行中的實(shí)際情況進(jìn)行分析和判斷。

后期處理系統(tǒng)主要是針對(duì)所獲取到的影像信息進(jìn)行集中的數(shù)字化處理，其中包括數(shù)據(jù)預(yù)覽和數(shù)據(jù)后處理兩個(gè)環(huán)節(jié)，目前在低空遙感平臺(tái)當(dāng)中，主要由數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件和工作站來共同完成處理工作。

4 系統(tǒng)平臺(tái)的指標(biāo)控制

高質(zhì)量的低空遙感攝影測(cè)量需要進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)系統(tǒng)建構(gòu)，通過環(huán)環(huán)緊扣的質(zhì)量管控，來保證無人機(jī)系統(tǒng)飛行效率和采集質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量的實(shí)際目標(biāo)。

4.1 無人機(jī)飛行平臺(tái)關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)

首先需要進(jìn)行飛行平臺(tái)的指標(biāo)控制。其中主要設(shè)置航高、無人機(jī)的抗風(fēng)能力、航區(qū)內(nèi)飛行速度、起降性能等幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)指標(biāo)控制。飛行航高主要受到外部氣壓以及氧氣濃度等多方面因素影響，一旦達(dá)到一定高度后，無人機(jī)設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)將無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)管理中應(yīng)當(dāng)控制限高。其中平原丘陵地區(qū)中無人機(jī)最大飛行限高應(yīng)當(dāng)在海拔3000m 以內(nèi)，而高山高遠(yuǎn)地區(qū)無人機(jī)的最大限高則不能超過海拔6000m；抗風(fēng)能力主要是指無人機(jī)在飛行過程中抵御風(fēng)力保持平穩(wěn)飛行和安全飛行的能力。目前低空遙感系統(tǒng)中無人機(jī)主要分為普通無人機(jī)和超輕型無人機(jī)兩種類型，前者抗風(fēng)能力應(yīng)當(dāng)達(dá)到風(fēng)力4 級(jí)，后者抗風(fēng)能力應(yīng)當(dāng)達(dá)到風(fēng)力5 級(jí)，在抗風(fēng)能力標(biāo)準(zhǔn)中保持飛行穩(wěn)定和安全；飛行速度也需要進(jìn)行指標(biāo)控制，一般航區(qū)內(nèi)無人機(jī)最大飛行速度應(yīng)當(dāng)控制在時(shí)速160km 以內(nèi)，一般巡航速度則應(yīng)當(dāng)保持在時(shí)速120km 左右；起降性能方面，無人機(jī)應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮復(fù)雜環(huán)境的起降能力，具備彈射、撞網(wǎng)回收以及傘降等重要功能，適應(yīng)在不同環(huán)境中起降。除了以上幾個(gè)方面之外，還應(yīng)當(dāng)控制無人機(jī)載荷和測(cè)量裝置慣性。通常情況下無人機(jī)荷載總量須低于3kg，測(cè)量裝置慣性需保證在定向法測(cè)圖中實(shí)現(xiàn)地域0.01°的側(cè)滾角和俯仰角等硬性指標(biāo)，保證無人機(jī)飛行質(zhì)量。

4.2 傳感器設(shè)備關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)

傳感器設(shè)備在低空遙感系統(tǒng)當(dāng)中主要充當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)獲取和影像信息傳輸?shù)闹饕δ?。目前主要采用?shù)碼相機(jī)設(shè)備進(jìn)行傳感攝錄，主要滿足4 個(gè)方面的指標(biāo)要求。

①傳感器相機(jī)本身采用的攝影鏡頭應(yīng)當(dāng)采用定焦鏡頭，同時(shí)保證鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)無限遠(yuǎn)對(duì)焦。②在平臺(tái)搭載中，傳感器相機(jī)的機(jī)身與各個(gè)部件需要保證穩(wěn)定性質(zhì)量，保持牢固。③飛行平臺(tái)當(dāng)中的城鄉(xiāng)探測(cè)器面陣的最低像素要求為2000 萬(wàn)。④傳感器相機(jī)的最低快門速度應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.001s。

4.3 航空攝影質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)

（1）需要設(shè)定航攝傾角，保證攝影范圍全面真實(shí)，不出現(xiàn)畸變。低空遙感系統(tǒng)中無人機(jī)航攝傾角應(yīng)當(dāng)?shù)陀?°，最大航攝傾角不能高于12°。

（2）進(jìn)行攝影航高限制，實(shí)際航高設(shè)定主要針對(duì)飛行線路預(yù)設(shè)值進(jìn)行調(diào)整控制，其中所處相同航線內(nèi)的攝影航高偏差不能超過30m，在攝影區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)航高與實(shí)際航高之間的誤差不能大于50m。

（3）針對(duì)攝影比例尺進(jìn)行調(diào)整，低空遙感系統(tǒng)主要根據(jù)不同航高設(shè)置不同的比例尺等級(jí)，在理想狀態(tài)下，比例尺計(jì)量主要從航攝儀自身主距和航高兩組數(shù)值進(jìn)行計(jì)量，分別設(shè)置大比例尺、中比例尺和小比例尺三種情況，確定最終的參考構(gòu)圖。

（4）進(jìn)行無人機(jī)航向彎曲度的控制，航向彎曲度一般情況下需要低于3%，保證飛航攝影線路穩(wěn)定，最大彎曲不得大于15%。

4.4 影片處理關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

低空遙感攝影測(cè)量中，無人機(jī)通常會(huì)采用連續(xù)拍攝方式進(jìn)行影像信息記錄，而連續(xù)拍攝會(huì)出現(xiàn)一定的畫面重疊，甚至出現(xiàn)部分被攝區(qū)域遭到重疊的覆蓋，影響影像信息的真實(shí)性和直觀性因此在實(shí)際的影響處理當(dāng)中，需要進(jìn)行間接變?cè)O(shè)置，來保證影響畫面質(zhì)量。在進(jìn)行設(shè)置中，主要對(duì)航向重疊度Px 和旁向重疊度Py 兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。經(jīng)過計(jì)算，航向重疊度Px 應(yīng)當(dāng)高于60%同時(shí)低于80%，同時(shí)每分鐘重疊度需要高于53%；旁向重疊度應(yīng)當(dāng)處于15%~60%區(qū)間，平均每分鐘重疊度應(yīng)當(dāng)大于8%。

此外還需要進(jìn)行攝影獲取像片旋偏角控制，單個(gè)像片的旋偏角不得大于8°，三張連續(xù)拍攝的航空像片平均旋偏角不得大于6°。

4.5 質(zhì)量檢查

在飛行系統(tǒng)計(jì)劃確定后，需要以無人機(jī)安全手冊(cè)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)際的影響質(zhì)量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢查。檢查主要包含以下3 個(gè)部分。

①要對(duì)無人機(jī)獲取影響是否清晰，內(nèi)容信息是否明確進(jìn)行檢查。②要對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)高度角進(jìn)行驗(yàn)證檢查，判斷是否會(huì)產(chǎn)生影響陰影，陰影長(zhǎng)度是否會(huì)對(duì)地面物體的清晰度造成影響。③要檢查驗(yàn)證當(dāng)前影響攝影的色彩均衡情況，影像反差狀況以及灰度情況。

5 DOM 技術(shù)的處理應(yīng)用

5.1 DOM 技術(shù)的影像處理

首先需要進(jìn)行正射生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)單張航空像片進(jìn)行正攝影像的分析計(jì)算，最終獲得影像文件和影像參數(shù)兩組文件。

隨后，對(duì)正射影響結(jié)果進(jìn)行可視化的完整影像信息拼接，并對(duì)其內(nèi)部設(shè)計(jì)的重疊區(qū)域進(jìn)行調(diào)整。目前DPgrid 軟件具有自動(dòng)拼接功能，能夠?qū)λ幬恢玫挠跋襁M(jìn)行共性信息分析，完成拼接。不過在重疊裁剪拼接后，會(huì)出現(xiàn)邊緣位置的幾何性狀畸變和色彩差異狀況，需要進(jìn)行下一步的圖像處理。

后期處理操作人員可以在系統(tǒng)當(dāng)中通過手動(dòng)添加節(jié)點(diǎn)的處理策略，來進(jìn)行各個(gè)部分拼接線的編輯，通過調(diào)整拼接線走勢(shì)的方式，來對(duì)拼接線所處的兩邊影像進(jìn)行平滑自然過渡，減小色差影響和形變問題，完成拼接編輯。

隨后需要進(jìn)行正射編輯，對(duì)局部色彩問題進(jìn)行調(diào)光處理。其中DPgrid 可以使用PS 插件進(jìn)行交互處理，通過調(diào)整局部亮度，來恢復(fù)影像的細(xì)節(jié)信息顯示，獲取精準(zhǔn)度更高的正射影像。

5.2 DOM 常見問題處理策略

在實(shí)際的DOM 正射影像處理當(dāng)中，較常出現(xiàn)扭曲變形、重影模糊等問題，在處理調(diào)整中，需要明確問題產(chǎn)生原因，選擇合適的處理方法進(jìn)行處理。

通常情況下，大部分問題出現(xiàn)來源于拼接處理問題，在實(shí)際待處理當(dāng)中需要采用PS 軟件來重新對(duì)關(guān)鍵拼接信息進(jìn)行重新調(diào)整，以達(dá)到拼接線的完全消除效果。

此外，部分情況下還會(huì)因?yàn)橛跋癞嬅姹旧淼墓庥碍h(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致色彩色調(diào)出現(xiàn)明顯差異，影響影像信息的內(nèi)容傳遞。目前DPgrid 軟件在光效處理中主要采用waliis 濾波器進(jìn)行色彩調(diào)節(jié)，但是容易出現(xiàn)多幅影像之間的色彩不一致現(xiàn)象。在后續(xù)的處理中，可以借助PS 勻色處理方式對(duì)誤差較大的區(qū)域進(jìn)行重新的色彩調(diào)整，借助亮區(qū)和暗區(qū)的反選，實(shí)現(xiàn)色彩在調(diào)教，保證質(zhì)量效果。