固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法研究

包曉峰，王文，揭江偉

（1.青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，西寧 810008； 2.四川蜀康地質(zhì)勘察工程公司，崇州 611230）

引言

地形勘測方面主要包含地質(zhì)、地貌和資源開發(fā)幾個方面，通過地形測量能夠更加清晰的了解領(lǐng)土的實(shí)際情況，從而使軍事、建筑等方面更好開展活動，因此對地形測量方法的研究具有重要意義。當(dāng)前，最常應(yīng)用的地形測量方法有兩種，一種是高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究[1]，一種是WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)[2]。高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究主要將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與車載激光掃描技術(shù)結(jié)合，對地形噪點(diǎn)濾除，對帶狀地形圖進(jìn)行了測繪。WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)主要利用高分辨率World-View-2衛(wèi)星影像和爽介質(zhì)立體攝影測量方法進(jìn)行地形測繪，依據(jù)通用的雙介質(zhì)物象集合關(guān)系，采用折射改正算法提取地區(qū)的數(shù)字高程模型，完成地形測繪。上述兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)地形測量，但是存在測量效率低的問題，為此設(shè)計(jì)一種固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法。基于固定翼無人機(jī)低空航攝的數(shù)字化地形測量方法是借助無人機(jī)的航攝影像功能，然后通過計(jì)算機(jī)軟件對所獲取的影像文件處理與匹配，提取出固定翼無人機(jī)航攝測量影像信息，最終獲取數(shù)字地形圖。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的方法比傳統(tǒng)兩種方法的地形測量投入人力少，輸出圖像分辨率高，具備實(shí)際應(yīng)用意義。

1 固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量

1.1 地形影像作業(yè)獲取流程

固定翼無人機(jī)影像獲取主要包含相機(jī)校檢、航線設(shè)計(jì)、現(xiàn)場設(shè)備組裝[3]等步驟。具體的作業(yè)流程主要根據(jù)不同的任務(wù)需求，進(jìn)行基礎(chǔ)材料的準(zhǔn)備，獲取流程如圖1所示。

1.2 航線規(guī)劃

在固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量前，對航線規(guī)劃。在固定翼無人機(jī)航空攝影中，冗余的地面分辨率會增加影像數(shù)據(jù)量，增加影像的獲取成本以及后期作業(yè)處理的工作量，所以確定合適的在航線規(guī)劃前需要確定合適的影像分辨率[4]。結(jié)合固定翼無人機(jī)航空攝影的規(guī)范要求，以及數(shù)字相機(jī)的像元數(shù)[5]，確定數(shù)字影像的覆蓋寬度，即分辨率，如下述公式所示：

式中：

R—待測量地區(qū)地面分辨率；

N—固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字相機(jī)的航列數(shù)；

D—影像覆蓋寬度。

在此基礎(chǔ)上，確定固定翼無人機(jī)的飛行高度，因?yàn)椴煌叨全@取的影像質(zhì)量關(guān)系到飛行過程安全以及影像質(zhì)量，因此需要確定固定翼無人機(jī)的飛行高度需要綜合考慮獲取的影像分辨率與攝影儀的鏡頭焦距，如下述公式所示：

式中：

d—像素大小；

r—地面分辨率；

q—固定翼無人機(jī)的相對航高。

同時，在實(shí)際的地形測量過程中，采用加大重疊度的航空攝影[6]，以確保所獲取的影像質(zhì)量符合要求，項(xiàng)片重疊度通過像幅邊長的百分?jǐn)?shù)[7]表示，計(jì)算表達(dá)式為：

圖1 地形影像作業(yè)獲取流程

式中：

z、x—航向重疊度與旁向重疊度；

v、y—航向上和旁向上的重疊距離；

w、m—航向和旁向上的覆蓋距離。

由于地形測量過程中，存在實(shí)際地形起伏較大的情況，因此考慮因地面起伏造成的最低點(diǎn)影像分辨率和最高點(diǎn)的重疊度[8]，計(jì)算表達(dá)式為：

式中：

Q—測區(qū)最低點(diǎn)影像分辨率；

u、i、o—基準(zhǔn)面高程、最低點(diǎn)高程與相對航高值；

a—象元大小。

通過上述過程，完成固定翼無人機(jī)低空航攝線路的規(guī)劃[9]，獲取到固定翼無人機(jī)低空航攝地形數(shù)據(jù)。

1.3 固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量實(shí)現(xiàn)

通過上述過程獲得固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對航測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[10]。首先對像片旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)示意圖如圖2所示。

圖2中，A、B、C、D分別代表固定翼無人機(jī)低空航攝像片的4個像主點(diǎn)[11]。

在此基礎(chǔ)上，對固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)定向，內(nèi)定向是指恢復(fù)無人機(jī)中內(nèi)方位元素的過程，利用相機(jī)焦距[12]、像駐點(diǎn)與坐標(biāo)點(diǎn)三個參數(shù)完成。定向公式如下所示：

式中：

M—像片高度；

B—像片寬度；

V—像元大小參數(shù)；

U—方向位置。

圖2 像片旋轉(zhuǎn)示意圖

然后在上述準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換，以獲得加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程[13]，即對圖像空三加密，其是固定翼無人機(jī)影像到實(shí)際成果轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。空三加密的主要目的是保證加密點(diǎn)數(shù)量足夠且數(shù)據(jù)精度達(dá)到要求的同時，減少作業(yè)工作量。在空三加密之前，對控制點(diǎn)做平差處理，采用光束法數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，其基本思想是使用概算的方式，假定一個外方位元素值以及加密點(diǎn)的坐標(biāo)值[14]，通過共線條件方程，對控制點(diǎn)做平差處理，以解算出各個影片的加密點(diǎn)坐標(biāo)以及外方位元素。首先建立誤差方程與法方程，計(jì)算表達(dá)式為：

式中：

O、P—解向量；

K—像點(diǎn)的誤差方程。

利用上述公式獲得每個像片的外方位元素后，由雙像空間前方交匯可獲得加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

最后，依據(jù)上述過程對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，對圖像中關(guān)鍵點(diǎn)方向分配，為了使地形測量圖像具有旋轉(zhuǎn)不變性[15]，為每一個關(guān)鍵點(diǎn)分配一個基準(zhǔn)方向可以利用圖像的局部特征。計(jì)算公式為：

式中：

j、l—方向值；

g、h—關(guān)鍵點(diǎn)所在的尺度空間值。

通過以上步驟計(jì)算得到擁有位置、尺度和方向信息的關(guān)鍵點(diǎn)，從而輸出地形測量的關(guān)鍵點(diǎn)，以此完成固定翼無人機(jī)航攝數(shù)字化地形測量。

2 實(shí)驗(yàn)對比

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

此次實(shí)驗(yàn)區(qū)位于某鎮(zhèn)，項(xiàng)目區(qū)三面環(huán)山且不規(guī)則，需航攝面積為兩處，測點(diǎn)一面積為80 km2，測點(diǎn)二面積為36 km2，航攝范圍內(nèi)最高點(diǎn)高程600 m，具體范圍如圖3所示。

分別采用此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法、文獻(xiàn)[1]中的高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究，文獻(xiàn)[2]中的WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)獲得整個項(xiàng)目的影像結(jié)果，按條拼接，制作成線裝影像成果。整個實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域航攝范圍

對比三種方法的工作效率，工作效率通過人員投入、外業(yè)測量時間衡量。

2.2 測點(diǎn)一、二測量工作人員投入對比

此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法、高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究、WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)在測點(diǎn)一的工作效率對比結(jié)果如表1所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程

表1 測點(diǎn)一人員投入對比

分析表1可知，在測點(diǎn)一地形測量上，此次設(shè)計(jì)的測量方法總的人員投入較少，與傳統(tǒng)兩種方法對比可知，較傳統(tǒng)兩種測繪方法的人員投入少很多，差距較為明顯。

表2為三種方法在測點(diǎn)二的工作效率對比結(jié)果。

由表2可知，此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法總測量投入的人數(shù)較少，其中占人數(shù)最多的是數(shù)字化測圖。而傳統(tǒng)的高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究、WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)方法方法的投入人數(shù)較此次設(shè)計(jì)方法具有較大的差距，總的投入人數(shù)較此次設(shè)計(jì)的方法投入人數(shù)多。

2.3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域正攝影像分辨率對比

高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究、WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)方法與此次設(shè)計(jì)的方法的正攝影像分辨率對比結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域正攝影像分辨率對比上，此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法輸出的測量圖像最為清晰，沒有出現(xiàn)模糊情況；高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法研究方法輸出的圖像分辨率明顯低于此次設(shè)計(jì)的方法，通過圖可知，該方法輸出的正攝影像模糊度較高，不能夠清晰的展示測量地區(qū)的地形情況； WorldView-2影像雙介質(zhì)攝影測量的淺海地形測繪試驗(yàn)方法輸出的圖像較高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地一體化測繪方法分辨率高，但是中間區(qū)域較為清晰，四周分辨率較低，輸出圖像較為模糊。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測量上，影像分辨率都高于傳統(tǒng)，由此可證明此次設(shè)計(jì)的測量方法方法能夠提高數(shù)字化地形測量圖像分辨率。

表2 測點(diǎn)二人員投入對比

圖5 實(shí)驗(yàn)區(qū)域正攝影像分辨率對比

綜合上述對比結(jié)果可知，此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法在測點(diǎn)一與測點(diǎn)二上的投入人力都低于傳統(tǒng)兩種方法。并且在整個實(shí)驗(yàn)區(qū)域的攝像上，此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法比傳統(tǒng)的兩種方法輸出的數(shù)字化地形影像分辨率高。

造成這種差距的原因是，此次設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法能夠預(yù)先規(guī)劃攝像航線，并能夠根據(jù)實(shí)際的地形測量情況確定固定翼無人機(jī)的飛行高度，從而在初始測量時保證地形測量的精準(zhǔn)度，同時在后期測繪圖像處理上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，從而在測量前與圖像處理中就減少了測量工作量，從而減少了地形測量的人員投入，并提高了地形測量的影像分辨率。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的方法解決了傳統(tǒng)方法存在的問題，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目可發(fā)現(xiàn)，此次研究的固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法還存在一定的不足，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對測繪結(jié)果具有重要影響，因此在后續(xù)的研究中將在測量前加大測量精度，從而確保原始數(shù)據(jù)獲取過程的科學(xué)性與規(guī)范性，以提高地形測量的分辨率；

第二，此次實(shí)驗(yàn)僅在較小的區(qū)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在其他區(qū)域是否適用，需要在后續(xù)的研究中，選取更大的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取更多具有特征點(diǎn)與更具代表性的數(shù)據(jù)，多方面驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)方法的有效性，提高觀察地形測量方法的有效性；

第三，測量精度方法還需要做進(jìn)一步的研究，固定翼無人機(jī)在土地綜合整治領(lǐng)域能夠極大提升我國相關(guān)工作水平與效率水平，具有較為突出的應(yīng)用前景，因此在后續(xù)研究中，將其作為重點(diǎn)研究內(nèi)容，從而進(jìn)一步提高固定翼無人機(jī)低空航攝數(shù)字化地形測量方法的測量效果。