基于POS 的無人機航片快速糾正在應急測繪保障中的應用

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服務中心，四川 成都610000)

1 概述

無人機航攝技術具有靈活機動、高效快捷等優點，在小區域及困難地區影像快速獲取等方面具有顯著優勢[1]，已廣泛應用于災害監測[2]、地質災害調查[3]、地理國情監測[4]等領域，可有效滿足應急測繪天地一體、快速機動的要求。而在火災等特殊情況下對數據時效性要求非常高，應在盡可能短的時間內對實時獲取的大量遙感數據進行快速處理，而在前方的無人機小組受地形、應急狀況等情況往往無法攜帶高性能的圖形工作站組網進行數據處理工作，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火線實時情況。

綜上所述，本文立足于無人機航攝技術在四川省應急測繪保障中的應用，研究基于POS 數據的無人機航片快速糾正，并成功應用于“2020 年涼山州森林火災應急測繪保障工作”應急測繪保障，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部門開展決策部署、應急救援、災情評估和災后重建等工作提供了快速、準確、優質的災情地理信息服務，并歸納總結了該技術在提升應急測繪保障中的作用。

2 已知數據分析

2.1 POS 數據

POS/AV (Position and Orientation System for Airborne Vehicles) 系統專門為機載傳感器的地理定位設計，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、俯仰和偏航角度等信息,如圖1 所示為部分POS 數據。

圖1 POS 數據

2.2 影像數據及其他數據

影像數據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 影像數據

其他數據包含數碼相機檢校報告、像素大小、畸變系數、焦距f 等數據。

3 基于Arcgis Engine 實現航片快速糾正

3.1 實現思路

圖3 設計方案

根據POS 數據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, 依據坐標值可實現航片的快速糾正和相關指標運算。

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，根據已知三個角度航向角(κ)、俯仰角(ψ)和側偏角(ω) 對航片范圍進行改正，使用共線方程9 個系數:a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3, 由以下公式計算旋轉系數，POS 數據記錄的拍攝點坐標為經緯度坐標（L0，B0），進行俯仰、側偏和航向角改正之前需要經緯度坐標換算成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 為柵格數據。

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

3.1.3 投影并輸出kmz 文件

柵格數據的坐標系轉換, 包括該柵格坐標系的定義及投影坐標系的轉換，主要用到ArcEngine 的IGeoDatasetSchemaEdit 接口、IGeoProcessor 接口和ProjectRaster 類[7]。柵格數據的坐標系轉換應先設置輸入坐標系和輸出坐標系。部分代碼如下:

pProjectRaster.in_coor_system = pInputCoorSystem;// 設置輸入數據的坐標系。

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

最后將影像投影到經緯度坐標并輸出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 糾正結果

4 典型應用

2020 年3 月26 日起，四川省涼山彝族自治州境內冕寧縣、西昌市、木里藏族自治縣等多地連續突發森林火災，火勢蔓延，時刻威脅人民群眾的生命財產安全。按省測繪應急指揮中心緊急部署，中心立即啟動測繪保障應急預案，迅速集結應急測繪保障隊伍，攜無人機、靜中通、動中通等多套應急裝備，緊急奔赴災情現場開展火情偵察，火場地處溝深、谷窄、高差大山區，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 米高空執行火勢火情偵察任務，獲取明火點可見光及熱紅外視頻數據，通過衛星實時回傳至后方指揮中心，并同步開展森林火災視頻影像應急專題圖制作，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、蔓延方向等現場火情態勢、指揮調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。

結束語

四川測繪地理信息局在應急測繪保障工作研究的基礎上，通過基于POS 的無人機航片快速糾正，再疊加現有影像地圖實現了全面直觀的展示航片和火線位置，用于災情研判、災后過火面積統計、災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急專題圖，實現了無人機在應急測繪保障方面的典型示范，提升了無人機應急測繪保障服務能力。