低空無人機航攝系統在正射影像制作中的應用

魏 涌 畢 凱

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.國家基礎地理信息中心，北京 100830)

低空無人機航攝系統在正射影像制作中的應用

魏 涌1畢 凱2

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.國家基礎地理信息中心，北京 100830)

介紹應用低空無人機航攝系統進行城市數字正射影像制作的流程和方法，研究航空攝影、像控測量及DOM制作等方面的技術特點。

低空無人機 航空攝影 影像處理 正射影像

隨著電子技術的飛速發展，低空無人機在遠程遙控、續航時間、飛行品質上有了明顯的突破，成為近幾年興起的新的航空遙感手段。相對于傳統遙感數據和影像獲取手段而言，低空無人機航攝技術具有體積小巧、機動靈活、高效快速、精細準確等優點，使得該系統在小區域測繪方面具有獨特的優勢，研究利用無人機獲取的航空影像進行正射影像制作，對于困難地區影像獲取、鐵路三維空間選線、數字城市建設方面具有重要的現實意義。

1 低空無人機飛行系統組成

低空無人機飛行系統由無人機飛行平臺、傳感器、飛控系統、地面監控系統以及地面保障系統五部分組成。

飛行平臺由機體、操控系統、通訊系統和動力系統組成。傳感器為經過精確檢校后的小型數碼相機。飛控系統由機載GPS、慣導系統、氣壓傳感器和飛行控制系統等部件組成，可以實現無人機按設計航線自主飛行。地面監控系統包括地面工作站、監控軟件系統、通訊系統和維護系統。地面保障系統主要由運輸車和后勤安全保障車組成。

2 無人機航空攝影技術

2.1 航空攝影

無人機航攝系統一般執行小區域的數碼航攝，在航線設計時無需考慮地球曲率變化，可依照GOOGLE EARTH三維系統，根據攝區最高點和最低點高程，求取攝區基準面高程，絕對航高的計算公式為

無人機數碼航攝一般不需要進行攝影分區，只需按攝區的4個角點進行航線設計。但是鐵路航攝范圍一般沿設計線路走向呈帶狀分布，如簡單的按照四個角點進行航線設計，會造成很大的浪費，應根據成圖需要確定攝影邊界，劃定攝影分區，對每個分區單獨進行航線設計(如圖1所示)。

圖1 攝影分區示意

航線設計完成后，需要對初步設計情況進行檢查，主要檢查內容包含攝區高差與設計航高的關系、攝區最低點的地面分辨率和最高點的重疊度。每個攝區高差應小于1/4航高，攝區最高點重疊度(即攝區最小重疊度)和最低處地面分辨率的計算公式為

攝區最小地面分辨率=

單像元大小=地面分辨率×

攝區最高點重疊度=

全部檢查工作完成后即可開展航空攝影，獲取數字影像數據。

2.2 像控點布設

無人機航攝系統的像控測量工作在總體實施流程、基礎控制點測量、像片控制點測量的刺點與整飾、點之記的制作等方面與傳統航空攝影一致。但在區域網布點方案上與傳統航攝有一定的差別。

區域網的劃分依據成圖比例尺、地面分辨率、測區地形特點、攝區的實際劃分、圖幅分布等情況全面考慮，根據具體情況選擇最優實施方案。區域網的大小和像控點之間的跨度以能夠滿足空中三角測量精度要求為原則，主要依據成圖精度、航攝資料的有關參數及對系統誤差的處理等多因素確定。

無人機像幅小、基線短、像對多，區域網布點參照以下方案，即航向相鄰平面控制點間隔基線數參照如下估算

(1)

(2)

式中ms——連接點(空三加密點)的平面中誤差/mm；

mh——連接點(空三加密點)的高程中誤差/m；

K——像片放大成圖的倍數；

H——相對航高/m；

b——像片基線長度/mm；

mq——視差量測的單位權中誤差/mm；

n——航線方向相鄰平高控制點的間隔基線數。

公式中所涉及的參數由所采用相機、地面分辨率、成圖比例尺等參數確定。

旁向相鄰平面控制點的航線跨度應不超過表1的規定。

表1 旁向相鄰平面控制點的航線跨度

無人機航攝獲取的影像相幅小、相片數多，應進行快速拼圖，利用簡單鑲嵌的攝區影像圖查看攝區大致情況，選取合乎要求的控制點，并在整體影像圖上規劃好測量控制點的行進路線，保證控制點測量工作順利進行。

2.3 正射影像制作

正射影像制作流程如圖2所示，主要流程包含空三加密、DEM制作、元數據制作和DOM制作等內容。

(1)空三加密

首先需要利用相機文件進行影像的畸變差校正，校正完成后建立影像金字塔和索引文件，后續處理模式和傳統方法一致，采用自動相對定向，并輔以人工交互量測方法，按流程加入像控點成果，完成測區的空三加密。

(2)DEM制作

利用空三加密成果生成密度匹配點，濾除粗差點后，對特殊地形人工采集特征點線，構建三角網，獲取單模型DEM數據，以測區為單位鑲嵌模型DEM數據并內插格網DEM。

(3)DOM制作

基于空三加密和DEM成果進行DOM單片糾正，并進行勻光勻色處理、接邊、影像鑲嵌與分幅裁切，生成DOM。元數據的制作主要根據分幅DOM的特點，按照統一的標準格式，進行名稱、屬性、精度等信息的錄入。

3 技術探討

通過低空無人機航攝系統對某地區約50 km2(按1∶2 000分幅共70幅)進行了正射影像制作，其相對定向中誤差為4 μm(像元大小為6.4 μm)；加密點中誤差平面為0.5 m，高程為0.5 m； DOM檢測點平面點位中誤差為0.63 m，滿足正射影像制作的要求，精度統計情況見表2。

表2 DOM成果精度檢測

(1)低空無人機飛行的穩定性易受氣流影響，為保證航攝影像不出現漏洞，應加大航向和旁向重疊度，一般設計航向重疊度為70%，設計旁向重疊度為50%。

(2)無人機航空拍攝的相機為非量測相機，其像片存在邊緣畸變，航攝相機除對常規的主點、焦距進行檢校外，還需要對畸變系數進行檢校。

(3)單片正射影像間拼接時，應檢查和適當編輯拼接線，合理選擇平滑參數，使拼接效果最佳，無明顯拼接縫。拼接線宜選在河邊、路邊、溝、渠、田埂等地方，無法避開居民區時應沿河流中間或道路中間排列。

(4)在城市地區構造DEM時，匹配的點有可能在建筑物頂上，內插的DEM會出現突高和突低點，容易引起“拉花”，應濾除掉這些點，并使DEM平滑。

(5)影像陰影過長、密度過大，并已掩蓋相鄰景物的區域，應進行陰影和密度處理；影像反差過大造成色彩不柔和、反差過小影響景物判別的區域，應進行反差調整。

(6)低空無人機在高層建筑區段航攝，由于影像投影差大、傾斜方向不一致等影響，個別區段需要降低分辨率進行補飛。

4 結論

利用低空無人機航攝系統進行數字正射影像的制作，其相對定向、空三加密、DEM和DOM的精度能滿足當前一般城市數字正射影像制作的要求。隨著多種機載傳感器、無人機硬件制造技術的發展，低空無人機以其機動靈活、現勢性強的特點，必能擁有更加廣闊的發展前景。

[1] 張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2003

[2] 畢凱.無人機數碼遙感測繪系統集成及影像處理研究[D].北京：中國測繪科學研究院，2009

[3] 張祖勛.航空數碼相機及其有關問題[J].測繪工程，2004，12(4)

[4] 張祖勛.從數字攝影測量工作站(DPW)到數字攝影測量網格(DPGrid)[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，32(7)

[5] CH/Z 3004—2010 低空數字航空攝影測量外業規范[S]

[6] CH/Z 3003—2010 低空數字航空攝影測量內業規范[S]

[7] 林莉，黃昶.低空無人機航測1000地形圖[J].鐵道勘察，2012，38(1)

[8] 楊鋒， 繆志修，林春峰，等.結合無人機和地面三維激光掃描技術獲取高精度DEM及DOM[J].鐵道勘察，2013，39(4)

TheApplicaitonofLowAltitudeUnmannedAerialVehiclePhotographySysteminOrthoimageProduction

WEI Yong BI Kai

2014-01-10

魏 涌(1981—)，男，2004年畢業于武漢大學測繪工程專業，工程師。

1672-7479(2014)02-0017-03

P231

： B