無(wú)人機(jī)影像采集技術(shù)研究

劉丹丹 韓禮

摘 ?要：目前，無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于攝影測(cè)量和遙感應(yīng)用當(dāng)中，其飛行性能靈活而穩(wěn)定、具有良好的開(kāi)發(fā)改裝潛力、便于人們操作與控制。此前工作人員在傾斜攝影的時(shí)候需要使用多個(gè)鏡頭，無(wú)人機(jī)影像采集技術(shù)出現(xiàn)以后，進(jìn)行傾斜影像采集的時(shí)候憑借單鏡頭相機(jī)就可以達(dá)成目標(biāo)。文章詳細(xì)研究了無(wú)人機(jī)影像采集技術(shù)，以慈溪市1：1 000航拍為研究對(duì)象，結(jié)合傾斜攝影的相關(guān)需求以及無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，最終提出適宜的策略，確保其工作順利開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);影像采集;航拍

中圖分類號(hào)：P237;TP751 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）12-0013-03

Abstract：At present，unmanned aerial vehicle （UAV） is widely used in photogrammetry and remote sensing applications. Its flight performance is flexible and stable，has good development and refitting potential，and is easy for people to operate and control. Before，the staff needed to use more than one lens in tilt photography. After the emergence of UAV image acquisition technology，the goal can be achieved by using a single lens camera. This paper studies the UAV image acquisition technology in detail，taking Cixi City 1：1 000 aerial photography as the research object，combined with the relevant needs of tilt photography and the characteristics of UAV，and finally puts forward appropriate strategies to ensure the smooth development of its work.

Keywords：UAV;image acquisition;aerial photography

0 ?引 ?言

目前我國(guó)正在開(kāi)展第三次國(guó)土調(diào)查工作，而在國(guó)土調(diào)查工作中，主要憑借航拍影像采集技術(shù)來(lái)獲得數(shù)據(jù)。浙江省慈溪市自然資源和規(guī)劃局負(fù)責(zé)慈溪市國(guó)土調(diào)查工作，主要工作內(nèi)容為：慈溪市1：1 000航拍影像采集制作。本次任務(wù)我院聯(lián)合江西省地礦測(cè)繪院，共同利用航空攝影，采集并制作慈溪市全市范圍的1：1 000比例尺精度的數(shù)字正射影像，影像分辨率優(yōu)于0.1米。成果影像數(shù)據(jù)作為第三次全市國(guó)土調(diào)查的工作底圖。在此項(xiàng)工作中，總結(jié)了前人經(jīng)驗(yàn)，研究得出一些新的思路方法，供相關(guān)人員參考。

1 ?研究區(qū)域概況

本次研究的區(qū)域集中在慈溪市，從地理位置來(lái)看，此區(qū)域位于浙東杭州灣的南岸，東、東南等區(qū)域與鎮(zhèn)海區(qū)、江北區(qū)接近，而浙東杭州灣的西、西南等區(qū)域與余姚市相接。從經(jīng)緯度來(lái)看，本區(qū)域位于北緯30°02′～30°24′與東經(jīng)121°02′～121°42′之間，本區(qū)域在滬、杭、甬三角地區(qū)中作為核心部分。其境總面積已經(jīng)達(dá)到968.26平方千米。對(duì)于慈溪市土地調(diào)查工作來(lái)講，主要憑借航拍作業(yè)，擬用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影，即對(duì)慈溪市整個(gè)區(qū)域使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，經(jīng)過(guò)影像采集與制作最終得到了數(shù)字正射影像圖（DOM），此項(xiàng)目涉及面積968.26平方千米，如圖1所示。

2 ?技術(shù)路線

整體技術(shù)路線如圖2所示。

（1）對(duì)測(cè)區(qū)已有的資料進(jìn)行收集，對(duì)飛行航線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，編制航攝計(jì)劃，并向慈溪市所屬空軍部隊(duì)進(jìn)行空中管制申報(bào);

（2）對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)施1：1 000比例尺精度航空攝影，且使用無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，同時(shí)發(fā)揮尼康D810航拍攝相機(jī)的作用;

（3）憑借CORS系統(tǒng)的同時(shí)利用領(lǐng)先的GPS技術(shù)來(lái)進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行航空攝影的時(shí)候主要發(fā)揮無(wú)人機(jī)的各種功能;

（4）對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)的時(shí)候主要憑借Inpho攝影測(cè)量處理系統(tǒng)來(lái)完成，最終獲得測(cè)區(qū)的自由網(wǎng)快拼總圖。其中，像點(diǎn)中心坐標(biāo)為高精度POS數(shù)據(jù)，而外方位元素能快速解算攝影測(cè)量中的自由網(wǎng)初步結(jié)果;

（5）針對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行加密分區(qū)操作，此操作主要使用航空攝影資料、后差分的像點(diǎn)坐標(biāo)以及像控點(diǎn)成果等數(shù)據(jù)，同時(shí)使用Inpho攝影測(cè)量系統(tǒng)之中的MATCH-AT模塊進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算;

（6）為了迅速提取地形和地表信息，積極使用MATCH- T DSM;為了確保影像測(cè)區(qū)形成無(wú)縫模型，需要從立體像對(duì)中進(jìn)行提取高精度的數(shù)字地形模型和數(shù)字地表模型，最終需要對(duì)DSM/DTM進(jìn)行編輯，此時(shí)需要發(fā)揮DTMaster模塊的作用;

（7）為了獲得高質(zhì)量的數(shù)字正射影像，需發(fā)揮OrthoMaster模塊的作用，同時(shí)需要具備一定的源數(shù)據(jù)，包括空三成果、數(shù)字地形模型（DTMs）等，同時(shí)充分發(fā)揮OrthoVista模塊自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓πВ磳?duì)源于影像處理過(guò)程的影像亮度和改變的顏色，最終合并多個(gè)單模型正射影像完成一幅正射影像鑲嵌圖，此正射鑲嵌圖沒(méi)有縫隙、具有平衡的色彩;

（8）為了快速提取自動(dòng)地形和地表信息需要借助Inpho系統(tǒng)中的MATCH-T DSM模塊，高精度的數(shù)字地形模型與數(shù)字地表模型等模型，需要從空三加密后的立體模型中提取，最終影像測(cè)區(qū)獲得無(wú)縫模型。在這之后進(jìn)行編輯操作，且憑借MATCH DTMaster模塊，最終測(cè)區(qū)形成數(shù)字高程模型（DEM）;

（9）為了進(jìn)一步完成鑲嵌、勻色等操作，需要發(fā)揮OrthoMaster模塊的作用，然后進(jìn)行分幅、裁切、輸出等操作最終獲得DOM成果;

（10）依據(jù)經(jīng)過(guò)裁切操作之后DOM制作慈溪市國(guó)土調(diào)查工作底圖。

3 ?慈溪市1：1 000航拍中重點(diǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)

3.1 ?航線設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)航攝分區(qū)之前，收集了慈溪市的數(shù)字化高程模型，在設(shè)計(jì)的重點(diǎn)突出以下兩方面：其一，超過(guò)攝區(qū)和航路上最高點(diǎn)100.0米以上的高度為飛行高度，而航線總航程不能超過(guò)無(wú)人機(jī)續(xù)航能達(dá)到的最長(zhǎng)路程;其二，對(duì)于分區(qū)內(nèi)的地形高差而言，其數(shù)值小于等于1/6攝影航高，盡量增加分區(qū)航線跨度，保證整個(gè)拍攝區(qū)域均被覆蓋。根據(jù)DEM分析出慈溪市的地勢(shì)特點(diǎn)：北部平緩，南部多山，且平緩區(qū)約占區(qū)域總面積的2/3，山區(qū)約占1/3，依據(jù)該數(shù)據(jù)將研究區(qū)域劃分為兩部分，即平原測(cè)區(qū)和山地測(cè)區(qū)。慈溪市區(qū)域共規(guī)劃布置59條基線，且規(guī)劃按照相關(guān)原則來(lái)進(jìn)行。其一，航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線，應(yīng)大于等于兩條基線;其二，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線大于等于像幅的一半。

3.2 ?像片控制點(diǎn)布設(shè)

目前慈溪市區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)具有不規(guī)則的特點(diǎn)，主要受地形條件的影響，比如，布平高點(diǎn)于凸出處，而布高程點(diǎn)于凹進(jìn)處，相比于兩條基線的長(zhǎng)度，凹角點(diǎn)與凸角點(diǎn)之間距離更長(zhǎng)時(shí)，則布設(shè)平高點(diǎn)于凹角處，如圖3所示。

3.3 ?航空影像空三加密處理

以制定的規(guī)范以及項(xiàng)目的精度要求為依據(jù)，詳細(xì)分析此次航空影像與外業(yè)控制點(diǎn)信息，最終明確空三加密作業(yè)的具體要求，同時(shí)及時(shí)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的加密分區(qū)工程，并對(duì)測(cè)區(qū)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終構(gòu)建相機(jī)與控制點(diǎn)的相應(yīng)文件。在建立測(cè)區(qū)影像航線列表的時(shí)候依據(jù)加密分區(qū)來(lái)進(jìn)行。通過(guò)軟件對(duì)定向、全自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。當(dāng)遇到大面積水域或大面積植被的時(shí)候，軟件會(huì)做出必要的提示，最終采取人工干預(yù)的辦法來(lái)完成計(jì)算。

為了順利完成立體觀測(cè)切準(zhǔn)點(diǎn)位，需要以外業(yè)控制點(diǎn)刺點(diǎn)說(shuō)明與點(diǎn)位略圖為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合刺孔對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行判定，最終把外業(yè)控制點(diǎn)引入，同時(shí)使用光束法對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行平差處理。除此之外，還要在滿足單區(qū)網(wǎng)的加密精度要求的情況下，對(duì)區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行間接邊處理操作。在這之后，需要在網(wǎng)間接邊處選出同名點(diǎn)，依次進(jìn)行計(jì)算與比較同一點(diǎn)位的具體坐標(biāo);對(duì)其誤差進(jìn)行比較分析，不符合要求的，需要對(duì)接邊網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)強(qiáng)度以及可靠性進(jìn)行分析，然后經(jīng)過(guò)反復(fù)修正達(dá)到要求。

3.4 ?數(shù)字正射影像生成

經(jīng)過(guò)加密操作的空三數(shù)據(jù)需要使用Inpho航測(cè)處理系統(tǒng)中的OrthoMaster正射影像生產(chǎn)模塊進(jìn)行恢復(fù)測(cè)區(qū)的同時(shí)創(chuàng)建立體像的操作。在這之后需要導(dǎo)入已提取的DSM、DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得單模型的正射影像，為了使整個(gè)測(cè)區(qū)的模型正射影像達(dá)到無(wú)縫拼接的效果需要利用鑲嵌線來(lái)實(shí)現(xiàn)，鑲嵌線生成于OrthoVista鑲嵌勻色模塊，最終經(jīng)過(guò)一系列操作獲得標(biāo)準(zhǔn)分幅DOM數(shù)據(jù)成果。具體分析如下：

（1）基于OrthoMaster，進(jìn)行單模型正射糾正，以DEM為依據(jù)，同時(shí)進(jìn)行采樣操作，使用的方法是雙線性內(nèi)插或三次卷積內(nèi)插法，最終得到正射單片;

（2）基于OrthoVista不斷調(diào)整色彩，憑借快視圖的作用，確保其顏色符合要求，同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)入操作，在這之后對(duì)正射影像成果進(jìn)行全自動(dòng)勻色處理，最終使DOM影像要達(dá)到要求即可;

（3）系統(tǒng)往往憑借DSM與DEM對(duì)地物是否優(yōu)化生成鑲嵌線，進(jìn)行智能判斷，及時(shí)躲避相關(guān)障礙物，使建筑物及其他要素更加完整的同時(shí)保證鑲嵌沒(méi)有縫隙;

（4）嚴(yán)格按照相關(guān)要求裁切輸出DOM標(biāo)準(zhǔn)分圖幅，經(jīng)過(guò)裁切操作后的影像應(yīng)避免有黑白邊的情況發(fā)生。

4 ?經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)對(duì)慈溪市1：1 000航拍項(xiàng)目的研究與分析，總結(jié)了在進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像采集的過(guò)程中相關(guān)的方法與技巧，具體分析內(nèi)容如下：

（1）針對(duì)測(cè)區(qū)來(lái)看，主要選擇的是丘陵、山地等地區(qū)，這些地區(qū)具有茂盛的植被，導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)不是很多，尤其明顯的目標(biāo)點(diǎn)很少，極大增加了布設(shè)像控點(diǎn)的難度;一旦航向連續(xù)出現(xiàn)4條以上基線，或旁向連續(xù)出現(xiàn)2條以上基線的時(shí)候，工作人員沒(méi)有辦法在像片標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上找到最佳的目標(biāo)，此時(shí)應(yīng)該對(duì)基線跨度進(jìn)行完善，或者布設(shè)像控點(diǎn)的時(shí)候應(yīng)該選擇在像片不是標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的位置;

（2）若使用CORS網(wǎng)絡(luò)RTK模式對(duì)像控點(diǎn)的平面與高程坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)定的時(shí)候，需要控制好時(shí)間，比如，初始化時(shí)間高于3分鐘之后，依然得不到固定解的話，有必要對(duì)通信鏈接實(shí)施斷開(kāi)操作，同時(shí)把GNSS接收機(jī)重新打開(kāi)，也就是對(duì)其進(jìn)行初始化工作。若反復(fù)進(jìn)行3次之后依然達(dá)不到初始化的目的，則應(yīng)詳細(xì)分析本次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的環(huán)境與通信鏈接狀況，然后選擇較好的位置再進(jìn)行測(cè)量;

（3）在進(jìn)行空三加密時(shí)若出現(xiàn)自動(dòng)挑點(diǎn)的現(xiàn)象，則需要對(duì)加密區(qū)的點(diǎn)位分布情況進(jìn)行檢查，這樣做的目的是為了確保任何一張影像的連接點(diǎn)與其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。對(duì)于那些少點(diǎn)、沒(méi)有點(diǎn)的影像應(yīng)該添加連接點(diǎn)，以人工的方式，同時(shí)及時(shí)清除影像邊緣點(diǎn)，使控制網(wǎng)達(dá)到一定的精度與強(qiáng)度;

（4）在制作DOM的時(shí)候，需要及時(shí)判斷地物優(yōu)化生成鑲嵌線，即憑借DSM和DEM數(shù)據(jù)，最終獲得完整的建筑物，同時(shí)接邊達(dá)到自然過(guò)渡，無(wú)縫鑲嵌的效果。

5 ?結(jié) ?論

本文以慈溪市1：1 000航拍為研究對(duì)象，闡述了應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)地表進(jìn)行影像采集的工作流程，并詳細(xì)總結(jié)了航線設(shè)計(jì)、像片控制點(diǎn)布設(shè)、航空影像空三加密處理及數(shù)字正射影像生成等工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。希望對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和歸納，為使用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)來(lái)影像采集的同仁們提供參考和幫助。

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作者簡(jiǎn)介：劉丹丹（1980.10—），男，漢族，浙江慈溪人，測(cè)繪工程師，本科，研究方向：測(cè)繪工程;韓禮（1976.10—），男，漢族，江西南昌人，測(cè)繪助理工程師，本科，研究方向：測(cè)繪工程。