國仲凱，姚姝娟，張桂蓮

(內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測繪院，呼和浩特 010010)

0 引言

無人機航空測繪技術(shù)近年發(fā)展迅速，能夠在很大程度上，彌補航空攝影測量手段的不足之處[1]。與當前的衛(wèi)星遙感方法相比，無人機航空測繪技術(shù)具有較高的空間分辨率、較短的操作周期和較強的時效性等應(yīng)用優(yōu)勢，可在靈活、機動、快速獲取高分辨率地表影像數(shù)據(jù)的同時，構(gòu)建更為真實的三維紋理模型，在小區(qū)域大比例尺測繪領(lǐng)域中具有較為積極的應(yīng)用價值[2-3]。盡管無人機攝影測量系統(tǒng)的發(fā)展前景相對可觀，但是現(xiàn)階段該項技術(shù)的應(yīng)用主要針對有人機或輕小型無人機設(shè)備，作為底層遙感平臺的無人機體系尚且不夠規(guī)范。由于無人機飛行器自身的獨特性，航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的發(fā)展還需要從多個技術(shù)性角度進行不斷完善。

當前CH-4航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)利用五鏡頭傾斜航攝儀作為相機傳感器，在優(yōu)化固定翼無人機運載平臺的同時，對各項航測參數(shù)進行分析，再從影像同步曝光的角度著手，構(gòu)建更加穩(wěn)定的三維信息處理模型。然而此系統(tǒng)在獲取光學(xué)、視頻影像和SAK數(shù)據(jù)方面存在一定的時間差異性，很難適用于實驗區(qū)域的地表特征，并為其提供有效的測繪保障[4]。為解決此問題，設(shè)計基于改進SIFT算法的無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)，IFT算法是由尺度縮放、平移旋轉(zhuǎn)等多個處理步驟組成的圖像處理方法，在圖像仿射變換及噪聲控制方面都具備較強的穩(wěn)定性，利用集成傳感器與發(fā)動機，填補應(yīng)急測繪系統(tǒng)的硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)空缺，借助BRISK描述子，確定SIFT算法的實際改進方向，再根據(jù)已知的測繪特征點匹配原則，完善系統(tǒng)的執(zhí)行與處理流程。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)以硬件執(zhí)行環(huán)境作為主要集成結(jié)構(gòu)，設(shè)計一體化的應(yīng)急測繪系統(tǒng)方案，在改進SIFT算法的支持下，實現(xiàn)無人機平臺與應(yīng)急測繪軟件之間的信息流集成。無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由遙感信息數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用傳感器、無人機平臺三部分共同組成，如圖1所示。

圖1 無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中，無人機體系平臺則可進一步劃分成鏈路子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)和無人機設(shè)備主機等應(yīng)用部分。新型測繪系統(tǒng)的關(guān)鍵作用能力在于第一時間獲取飛行區(qū)域內(nèi)的地表特征，并可根據(jù)個別數(shù)據(jù)信息的成圖處理原則，滿足主機設(shè)備平臺的深度決策需求。視頻影像、光學(xué)影像是兩種不同的基本測繪信息類型，且都可以直觀反映出突發(fā)環(huán)境中地表環(huán)境的概貌情況。在實際應(yīng)用過程中，夜間、陰雨天等突發(fā)測繪事件時有出現(xiàn)，因此，為保障測繪視頻信息的清晰度還需設(shè)置紅外與光譜視頻提取裝置[5]。此外，為使無人機航空測繪的精度與穩(wěn)定性能力得到滿足，還應(yīng)該提供定位定姿子系統(tǒng)、集成座架等補充條件。遙感數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)應(yīng)具備快速處理影像信息與視頻信息的能力，在生成影像圖與關(guān)鍵測繪區(qū)域影像數(shù)據(jù)的同時，滿足無人機航空的應(yīng)急保障需求。

1.2 主要系統(tǒng)架構(gòu)組成

無人機平臺的集成同時涉及機械設(shè)備研制、飛行能力保障等方面內(nèi)容。因此，對于航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的設(shè)計而言，應(yīng)從基本應(yīng)用平臺、任務(wù)傳感器子系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等多個方面對其進行集成與處理能力分析[6]。其測繪系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)部件之間的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測繪系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)部件之間的系統(tǒng)架構(gòu)

圖2中，測繪任務(wù)傳感器元件都需要借助無人機設(shè)備為測繪主機提供集中供電與空間測量服務(wù)。如視頻影像等遙感信息必須借助鏈路子系統(tǒng)，才能由無人機設(shè)備傳輸?shù)降孛婵刂谱酉到y(tǒng)，與此同時，也可通過鏈路子系統(tǒng)向外傳輸測繪控制指令。遙感數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)不能獨立存在，只能與地面控制子系統(tǒng)進行初步集成后，才能處理相關(guān)航攝視頻影像，從而對實時回傳的無人機遙感信息進行快速處理。作為無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的主控元件，航測控制器既能通過深度采集傳感信息的方式，制定具體的航攝規(guī)劃任務(wù)，也可以按照影像數(shù)據(jù)、位姿數(shù)據(jù)的傳輸與存儲需求[7]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境，以傳感器、發(fā)動機等元件作為主要集成結(jié)構(gòu)，在原有航空攝影技術(shù)的支持下，其一體化設(shè)計方案如下：

2.1 傳感器

為了保障無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)設(shè)計方案的針對性，需要明確傳感器子系統(tǒng)各組成部分的參數(shù)及具體型號，詳情如下：

1)光學(xué)相機：PhaseOne iXU-RS1900型號的光學(xué)相機傳感器在進行無人機應(yīng)急測繪處理的過程中，其視場角數(shù)值可以達到45.7°×33°，當鏡頭焦距接近100 min時，影像分辨率也能夠達到16 470×11 540。為保證光學(xué)影像的流暢度，傳感器曝光速度應(yīng)處于1/2 000～1/125 s之間，且隨著無人機航行速度的改變，鏡頭的感光度也應(yīng)在50～6400之間不斷變化[8]。

2)SAR傳感器：采用MS-201型號的中科九度傳感器元件，無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)SAR傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)SAR傳感器結(jié)構(gòu)圖

將其工作頻率調(diào)整至Ku波段之間，且要求所有視頻影像存在聚束與條帶兩種存在模式，對于測繪圖像的有效作用距離來說，在全極化信息同時存在的情況下，其距離數(shù)值不得小于5 000 m，一般來說，聚束模式下的無人機視頻影像空間分辨率可以達到0.15 m以上，但條帶模式下的無人機視頻影像空間分辨率則能夠達到0.50 m[9]。

3)光電吊艙：最少具備1 920×1 080個可見光視頻像元數(shù)，而對于紅外視頻像元數(shù)的要求則相對較低，基本上達到640×512個就可以實現(xiàn)對無人機遙感區(qū)域地表特征的準確測繪。

4)定位定姿子系統(tǒng)：在無人機測繪節(jié)點定位方面，絕對精度需要達到0.01 m以上，但在處理絕對俯仰角與滾動角時，精度數(shù)值則可達到0.002 5°，在相對角噪聲水平較低的情況下，子系統(tǒng)傳感器可直接控制無人機飛行器的行進狀態(tài)，并可同步完成數(shù)據(jù)信息回傳與控制指令發(fā)送[10]。

5)集成座架：橫滾姿態(tài)調(diào)整范圍為-10.5～+10.5°、 俯仰姿態(tài)調(diào)整范圍為-10.5～+10.5°、偏流姿態(tài)調(diào)整范圍為-25.0～+25.0°，對于無人機飛行器采取電機伺服控制的傳動方式，但由于允許測繪誤差的水平較低，故其最大承重能力只能達到35 kg。

2.2 發(fā)動機

無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)采用排量較大的DLE120CC發(fā)動機提供飛行動力支持，具有更高的汽油利用率，在無人機飛行過程中，可在低能量損耗的情況下，避免空中熄火事件的出現(xiàn)，在飛行動力與安全性方面提供了強有力的保障。DLE120CC發(fā)動機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DLE120CC發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)影像、視頻影像、SAK數(shù)據(jù)作為與無人機傳感器相關(guān)的三類測繪信息參量，可在大排量發(fā)動機元件的支持下，從無人機平臺直接傳輸至下級鏈路子系統(tǒng)中，由于復(fù)雜中間傳輸過程的省略，所有信息參量都可在同一時間到達同一傳感器設(shè)備，這也是所獲數(shù)據(jù)能夠較好滿足無人機航空大比例尺測圖需求的主要原因[11-12]。由于傳感器集成環(huán)境的存在，DLE120CC發(fā)動機在單位時間內(nèi)可提供的無人機航空起飛重量能夠達到19.8 kg，在應(yīng)急航程大于300 km時，航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的續(xù)航時間達到了4 h；而當飛行巡航速度處于90～120 km/h之間時，無人機飛行器的抗風(fēng)性能達到了6級，在此情況下，應(yīng)急測繪通信數(shù)據(jù)的最遠傳輸距離也能夠達到30 km以上。

2.3 一體化集成結(jié)構(gòu)

無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的一體化集成可從內(nèi)部通信、外部接口等多個角度同時進行，無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)一體化集成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)一體化集成結(jié)構(gòu)

具體設(shè)計思路如下：

1)內(nèi)部通信設(shè)計：定位定姿子系統(tǒng)可在通信接口的作用下，向航測控制器發(fā)送與無人機相關(guān)的姿態(tài)信息，元件設(shè)備可在存儲原始數(shù)據(jù)信息的同時，對應(yīng)急測繪處理指令進行重組與解析，完成初步處理后，再將位姿數(shù)據(jù)信息發(fā)送至底層SAR傳感器元件之中[13]。底部集成結(jié)構(gòu)在接收到實時位姿數(shù)據(jù)后，可借助應(yīng)急處理平臺對其進行再一次的調(diào)整，從而避免因飛行抖動對光學(xué)相機、SAR解算器等設(shè)備的平穩(wěn)運行能力造成影響。

2)外部接口設(shè)計：主測繪控制器通過異步傳輸接口實現(xiàn)無人機平臺與遙感數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)之間的信息互通，包括飛行器位姿數(shù)據(jù)傳輸、視頻影像數(shù)據(jù)傳輸、控制指令傳輸?shù)葞讉€應(yīng)用方面，能夠在控制量測相機工作狀態(tài)的同時，對連續(xù)的影像數(shù)據(jù)進行實時回傳處理。

3)電氣設(shè)計：無人機平臺只為傳感器子系統(tǒng)提供一個獨立的供電轉(zhuǎn)接頭，但卻可通過電源轉(zhuǎn)接線分出4個次級接頭分別供給集成座架、定位定姿子系統(tǒng)、SAR、光學(xué)相機。為保證傳感器子系統(tǒng)具備極強的工作與運行能力，電氣網(wǎng)絡(luò)必須完全覆蓋光學(xué)相機表面，一方面顯示航測控制器元件內(nèi)部的溫度示數(shù)值，另一方面讀取無人機所處航空環(huán)境的溫度數(shù)值，并在非合理情況下，將溫度數(shù)值快速調(diào)試至合理化狀態(tài)[14]。

4)結(jié)構(gòu)設(shè)計：為了將定位定姿子系統(tǒng)、SAR等設(shè)備同時集成在同一個座架結(jié)構(gòu)之上，需要從多個角度對測繪系統(tǒng)的基礎(chǔ)機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。座架滑環(huán)下端固定SAR體系收發(fā)天線與光學(xué)相機物理鏡頭，而座架滑環(huán)上端只固定定位定姿子系統(tǒng)，這樣的物理結(jié)構(gòu)組合可同時保證測量元件之間的應(yīng)用便捷性與一體化能力。

3 基于改進SIFT算法的系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的設(shè)計原則，以無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)硬件主要集成結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，按照SIFT算法原理描述、BRISK描述子計算、特征點匹配、測繪處置流程完成執(zhí)行步驟，準確規(guī)劃信息流集成，實現(xiàn)無人機航空應(yīng)急測繪，針對基于改進SIFT算法的軟件集成條件展開研究。基于改進SIFT算法的系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 基于改進SIFT算法的系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3.1 SIFT算法原理

SIFT算法規(guī)定在所選定的無人機航空高斯差分尺度空間(DOG)內(nèi)，尋找一個極值點作為關(guān)鍵任務(wù)節(jié)點，再分別提取亮度、旋轉(zhuǎn)、尺度三項不變量條件[15]。具體應(yīng)用方法由如下幾個步驟組成：

1)特征描述符生成：在無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)中，特征描述符是通過統(tǒng)計特征點鄰域梯度信息的方式得到的。

2)確定特征點主方向：計算測繪區(qū)域中每個像素節(jié)點處梯度指標的實際數(shù)值，并以此為基礎(chǔ)，繪制完整的測繪梯度直方圖，其中峰值系數(shù)表示了測繪點的鄰域梯度主方向[16]。

3)關(guān)鍵點精確定位：通過三維二次函數(shù)擬合的方式，精確關(guān)鍵無人機測繪節(jié)點所在的位置區(qū)間及相關(guān)尺度信息，與此同時，剔除不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點與對比度較低的候選特征點。

4)尺度空間檢測極值點：所生成的無人機航空高斯差分尺度空間中，每一個測繪節(jié)點都能保持其初始特征，對比原節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的數(shù)值差，凸出DOG條件的應(yīng)用價值。

3.2 BRISK描述子

BRISK描述子計算是SIFT算法改進的必要處理環(huán)節(jié)。對于無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)來說，BRISK描述子時刻保持較好的旋轉(zhuǎn)不變性與尺度不變性，在執(zhí)行特定信息指令時，由于描述子指標的存在，SIFT算法改進能力具有較強的可控性。

在實際運算過程中，BRISK描述子只能通過鄰域采樣的方式獲得，也就是說在以特征點為中心的像素塊內(nèi)，依靠同心圓確定BRISK描述子所處的具體位置，且要求所有采樣點都必須等間距分布在圓周之上[17]。此外，為完全消除無人機航空測繪光學(xué)影像、視頻影像和SAK數(shù)據(jù)之間的傳輸差異性，應(yīng)針對所有采樣點分別進行濾波性處理?；诟倪MSIFT算法的BRISK描述子采樣模型如圖7所示。

圖7 基于改進SIFT算法的BRISK描述子采樣模型

設(shè)Ω代表采樣點對集，pi、pj分別代表兩個不同的SIFT改進基向量，i、j代表兩個不同的影像數(shù)據(jù)信息，聯(lián)立上述物理量，可將BRISK描述子計算表達式定義為：

(1)

式中，N代表采樣點對集Ω中的信息元素個數(shù)，δmax代表最大距離閾值，δmin代表最小距離閾值。

3.3 特征點匹配

SIFT算法主要是利用歐氏距離判斷關(guān)鍵測繪點之間的相似性度量程度，而改進SIFT算法則在BRISK描述子指標的支持下，對相似性度量系數(shù)值進行重新定義，從而使得無人機航空應(yīng)急測繪特征點得到重新匹配[18-19]。具體的測繪特征點匹配定義如下：

(2)

式中，a、b分別為對應(yīng)無人機航空應(yīng)急測繪特征點描述符，f為SIFT算法改進趨度值，λ為BRISK描述子的集中作用權(quán)限值，ΔT為測繪特征點的單位匹配時長。

3.4 測繪處理流程

無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)中的軟件需要在無人機平臺上進行集成，一方面需要將所有測繪軟件均勻部署在地面控制子系統(tǒng)之中，另一方面也需要從邏輯層面入手，實現(xiàn)無人機平臺與應(yīng)急測繪軟件之間的信息流集成，具體處理流程如圖8所示。

圖8 航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)信息流程圖

圖8中，若無人機飛行器能夠接收到應(yīng)急測繪指令，相關(guān)元件結(jié)構(gòu)則會自發(fā)分析突發(fā)事件的所屬類型，一方面搜集目標航測區(qū)域內(nèi)的測繪數(shù)據(jù)與資料，并針對其制定嚴格的航攝規(guī)劃[20]；另一方面也可在滿足設(shè)備元件應(yīng)用需求的同時，實施后續(xù)的應(yīng)急測繪計劃，從而實現(xiàn)對信息流集成方向的準確規(guī)劃。至此，實現(xiàn)對SIFT算法的改進與應(yīng)用，在確保數(shù)據(jù)信息流集成有效性的前提下，完成無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的設(shè)計。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于改進SIFT算法的無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的有效性，設(shè)計如下對比實驗。實驗方法分別利用上文所設(shè)計的基于改進SIFT算法的無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)和CH-4航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)進行對比分析，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。

選取面積約為380 km2的實驗區(qū)域作為實驗環(huán)境，在實驗過程中，控制無人機的相對飛行高度處于950～1 000 m之間、絕對飛行高度處于1 500～1 600 m之間。規(guī)定飛行測繪任務(wù)的單次光學(xué)影像分辨率為0.1 m，共計飛行了5條航線。對獲取到的視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)進行處理，處理結(jié)果如圖9～ 11所示。

圖9 視頻數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖10 光學(xué)影像處理結(jié)果

圖11 SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果

實驗步驟主要是采用實驗對比方法，對已集成的無人機數(shù)據(jù)信息流進行處理，獲取上述視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并采集記錄實驗過程中5條航線內(nèi)的頻率和空頻時間進行對比分析。實驗組和對照組視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)頻率及空頻時間的具體變化情況如表1和表2所示。

表1 實驗組實驗數(shù)值記錄

表2 對照組實驗數(shù)值記錄

分析表1和表2可知，實驗組視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像、SAR數(shù)據(jù)頻率均未出現(xiàn)過高或過低的表現(xiàn)數(shù)值，且空頻時間也基本能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。其中，實驗組視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像、SAR數(shù)據(jù)中頻率的最大值為7.06 Hz，空頻時間的最大值為0.03，且整個實驗過程中，數(shù)據(jù)頻率最大值、空頻時間最大值均出現(xiàn)在SAR數(shù)據(jù)分組中。而對照組視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像、SAR數(shù)據(jù)頻率的變化形式并無明顯規(guī)律，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果出現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)分組、最小數(shù)值結(jié)果出現(xiàn)在光學(xué)影像分組，二者差值為3.05 Hz，高于實驗組數(shù)值。空頻時間最大值出現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)與SAR數(shù)據(jù)分組、最小值出現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)分組，二者間差值為0.06 min，也高于實驗組數(shù)值。

綜合上述對比可知，在固定測繪區(qū)域中，應(yīng)用基于改進SIFT算法的無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)，可實現(xiàn)對多航線視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)頻率與空頻時間的有效控制，這在很大程度上能夠促進數(shù)據(jù)信號的同步收集，從而滿足繪制無人機航空大比例尺測圖的實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

為了有效滿足無人機航空大比例尺測圖的實際應(yīng)用需求，設(shè)計基于改進SIFT算法的無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)。對當前SIFT算法進行改進，聯(lián)合光學(xué)相機、SAR傳感器、光電吊艙等多個硬件執(zhí)行設(shè)備，建立一體化的應(yīng)用集成環(huán)境，結(jié)合BRISK描述子及特征點匹配原則，對實際測繪處理流程進行不斷完善。實驗結(jié)果表明，隨著該系統(tǒng)的應(yīng)用，視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像、SAR數(shù)據(jù)的頻率及空頻時間均不會出現(xiàn)明顯波動的變化趨勢，可適用于航空攝影地表特征的同時，為無人機應(yīng)急測繪提供強而有力的應(yīng)用保障。