低空遙感平臺攝影測量技術(shù)的探討

■顧 慧，周 亦，馬騰飛，趙鳳輝

■1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130012;2.北京中色測繪院有限公司，北京 100012;3.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心測繪院北京 100012;4.譜尼測試科技股份有限公司，北京 100080

1 低空攝影測量技術(shù)簡介

低空攝影測量技術(shù)是指航空高度不超過千米，并以小型飛機(jī)、無人機(jī)或飛艇等作為平臺的攝影測量技術(shù)。該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)為獲取成果速度快、周期短、成本低、可靠性較強(qiáng)。尤其是在最近幾年里，無人機(jī)和無人飛艇獲得了快速的發(fā)展和完善，這為該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐。以無人飛艇為遙感平臺的低空攝影系統(tǒng)為例，它是以數(shù)字遙感設(shè)備作為任務(wù)載荷，并以相關(guān)數(shù)據(jù)信息快速處理系統(tǒng)為基礎(chǔ)支持的專用化遙感系統(tǒng)，此類系統(tǒng)不但安全性高、操作簡單方便，而且對場地條件的要求較低，設(shè)備便于安裝，可在低空和低速條件下穩(wěn)定飛行，并針對地面建筑進(jìn)行懸停航拍，這極大程度地確保了遙感影像的高分辨率，是目前攝影測量中最為實(shí)用的系統(tǒng)平臺之一。我國的一些研究機(jī)構(gòu)，在該領(lǐng)域中進(jìn)行了深入的研究，并取得了顯著的成果，相繼開發(fā)出了多種型號的無人飛艇等設(shè)備。

低空攝影測量中，比較重要的技術(shù)有以下幾種:

其一，遙感技術(shù)。大量的實(shí)踐證明，數(shù)碼相機(jī)拍攝到的影像要比模擬相機(jī)拍攝到的影像更加清晰，而且前者的種類較多，價(jià)格相對比較便宜，并且不需要進(jìn)行掃描便可以獲得數(shù)字影像，大幅度縮短了成果的獲取周期，這使其被廣泛應(yīng)用于航空攝影測量當(dāng)中。

其二，姿態(tài)控制技術(shù)。想要獲取到更加清晰的影像就必須克服氣流、飛行器等因素對數(shù)碼相機(jī)的影響，換言之，需要有一個(gè)相對比較穩(wěn)定的平臺，特別是對于飛艇和無人機(jī)等抗風(fēng)能力弱、飛行穩(wěn)定性差的飛行器，必須加裝三軸穩(wěn)定平臺，以此來確保數(shù)碼相機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定。

其三，影像處理技術(shù)。為確保影像的后處理工作能夠順利完整，需要影像實(shí)時(shí)傳輸與快速拼接軟件。同時(shí)，飛行器獲取到的航片存在傾角大、重疊度不均勻等問題，所以必須采用針對性較強(qiáng)的影像后處理技術(shù)。

2 低空遙感平臺攝影測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無人飛艇低空遙感平臺攝影測量系統(tǒng)主要是由兩個(gè)部分組成，一部分是系統(tǒng)硬件，另一部分是系統(tǒng)軟件。

2.1 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)的硬件由空中飛艇和地面監(jiān)控兩個(gè)部分組成，空中飛艇部分的主要設(shè)備包括氣囊、吊艙、發(fā)動(dòng)機(jī)、GPS陀螺儀、自動(dòng)駕駛設(shè)備、增穩(wěn)平臺、數(shù)碼相機(jī)和攝影機(jī);地面監(jiān)控部分具體是由以下設(shè)備組成:便攜式計(jì)算機(jī)、手控設(shè)備、視頻終端以及電源，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

GPS是飛艇的導(dǎo)航裝置，在自動(dòng)駕駛的狀態(tài)下，飛艇會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的航行線路進(jìn)行低空飛行，并以一定的距離和間隔時(shí)間進(jìn)行拍照，借此來獲取地面的數(shù)碼影像;飛艇的起落主要是由地面監(jiān)控部分負(fù)責(zé)，同時(shí)還對飛艇的自動(dòng)駕駛進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個(gè)部分組成:飛艇航行線路規(guī)劃軟件、飛艇飛行監(jiān)控軟件、平差解算軟件、正射影像制作與編輯軟件。除上述軟件之外，系統(tǒng)還包含以下功能模塊:工程管理、全自動(dòng)匹配、影像預(yù)處理、控制點(diǎn)量測、DEM生成等等。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 低空遙感平臺攝影測量系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

所選測量區(qū)域的地面高程約為50m左右，該測區(qū)內(nèi)分布有大量的低山，山體的整體高度全部在170m以下，整個(gè)測區(qū)的范圍長度為8000m，成圖面積約為60 km2。下面運(yùn)用上文中設(shè)計(jì)的低空遙感平臺攝影測量系統(tǒng)對該測區(qū)進(jìn)行測量。

3.1 飛艇航行路線規(guī)劃

目前，數(shù)碼相機(jī)在測量領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，這使得大重疊度的航攝測量成為主流趨勢，為攝影測量自動(dòng)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。在本次測量中，決定對所測區(qū)域采用大重疊度航行路線設(shè)計(jì)，航行方向的重疊度設(shè)計(jì)為80%，旁向的重疊度設(shè)計(jì)為60%，地面的分辨率為0.2m。為了獲得更加清晰的航攝影像，在數(shù)碼相機(jī)上配備了14mm焦距鏡頭，相對飛行高度控制在350m左右，每張影像的攝影范圍為600×900m。該測區(qū)的常規(guī)航行線路為22條，構(gòu)架航行線路為4條，飛艇實(shí)際飛行的線路為26條，總計(jì)獲取影像1804張。

3.2 選點(diǎn)及量測

為有效提高測量效率，在對飛艇航行線路進(jìn)行規(guī)劃的過程中，需要合理選取控制點(diǎn)并進(jìn)行量測。低空遙感攝影測量技術(shù)最為顯著的特點(diǎn)之一是分辨率高，為此，可以直接選取影像上較為明顯的地物點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)，如路口交叉點(diǎn)、房屋拐角等等。依據(jù)我國現(xiàn)行的航攝測量作業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，并結(jié)合實(shí)際成圖需要，決定在該測區(qū)的設(shè)計(jì)航帶內(nèi)每8條基線選取一個(gè)控制點(diǎn)，共計(jì)選取140個(gè)地面控制點(diǎn)，實(shí)地采用GPS－RTK測量155控制點(diǎn)。

3.3 工程管理與航攝影像預(yù)處理

飛艇根據(jù)預(yù)先規(guī)劃設(shè)計(jì)好的航行線路自動(dòng)飛行，并對相關(guān)影像進(jìn)行拍攝后，需要先對測區(qū)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，主要包括數(shù)碼相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)信息以及工程參數(shù)等等。其中數(shù)碼相機(jī)的參數(shù)可以通過三維檢驗(yàn)校正獲得，在數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程中，主要是對航空拍攝到的影像進(jìn)行主點(diǎn)糾偏和畸變糾正。由于實(shí)際拍攝中，受角度不同等因素的影響，使得在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的相鄰影像當(dāng)中存在色差，為確保測物內(nèi)正射影像的色調(diào)一致，必須進(jìn)行勻色處理，具體過程如下:從該測區(qū)拍攝到的影像當(dāng)中選擇出一張具有代表性的影像，然后借助圖像處理軟件，對其色調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并以此作為基準(zhǔn)影像，隨后，利用勻色模塊將基準(zhǔn)影像和測區(qū)內(nèi)的其它影像全部載入到軟件當(dāng)中，并進(jìn)行勻色處理。處理效果如圖2所示。

3.4 加密處理

由于飛艇在低空飛行的過程中，受到風(fēng)力作用，會(huì)對攝影的效果造成一定程度的影響，雖然飛艇的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠?qū)?/p>

圖2 測區(qū)影像勻色處理后的效果

其飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，數(shù)碼相機(jī)的穩(wěn)定云臺也可以確保相機(jī)處于相對固定的狀態(tài)，但飛艇在航線上行進(jìn)時(shí)，其本身的姿態(tài)會(huì)發(fā)生不斷地變化，若是遇到強(qiáng)氣流，則會(huì)導(dǎo)致飛艇出現(xiàn)劇烈的變化，這樣很難確保數(shù)碼相機(jī)拍照時(shí)保持穩(wěn)定的姿態(tài)，這樣一來，造成了獲得的影像姿態(tài)角超出測量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的角度要求，從而導(dǎo)致匹配難度較大。為了解決該問題，決定在特征點(diǎn)匹配的過程中引入SIFT算子，并將其匹配結(jié)果作為初始值，然后利用最小二乘進(jìn)行精確匹配，以此來確保匹配結(jié)果的穩(wěn)定性和有效性。

3.5 平差結(jié)算與影像校正

首先，采用光束法將拍攝到的每張影像的外方位元素計(jì)算出來，然后再對大量影像點(diǎn)進(jìn)行密集匹配，并將這些影像點(diǎn)的大地坐標(biāo)計(jì)算出來，經(jīng)過濾波處理之后，通過地面離散點(diǎn)規(guī)則網(wǎng)格化生成DEM;在對拍攝到的影像進(jìn)行方位元素解算時(shí)，由于各種因素的影響，難免會(huì)出現(xiàn)偏差，這樣一來便會(huì)導(dǎo)致所生成的測區(qū)DEM出現(xiàn)偏差。因此可以采用系統(tǒng)中的正射糾偏模塊進(jìn)行分塊校正，由此便可以獲得整個(gè)測量區(qū)域范圍的正射影像。

4 結(jié)論

綜上所述，低空遙感平臺攝影測量系統(tǒng)以其自身靈活、便捷、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在測繪領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。雖然本文提出的系統(tǒng)也存在一些不足之處，但通過相應(yīng)的措施可以有效彌補(bǔ)系統(tǒng)中的不足，通過對系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠用于區(qū)域范圍的正射影像獲取，并且所得的影像可以滿足使用要求，這充分證明了該系統(tǒng)具有一定的推廣使用價(jià)值。在未來一段時(shí)期內(nèi)，應(yīng)當(dāng)不斷加大對低空攝影測量技術(shù)的研究力度，并在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，使其能夠更好地為測繪地理信息工作服務(wù)。

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