低空遙感平臺攝影測量技術的探索和應用

張燕文

（山西工程科技職業大學，山西太原 030619）

0 前言

攝影測量是現代測量技術當中的一種補充性測量手段，現代低空遙感技術應用中，利用無人機設備攝影參與測量具有安全性高、數據信息獲取速度快以及測繪信息動態精確等多方面優勢。基于無人機技術進行的低空遙感技術開發與應用成為當前小范圍地理環境測量的主要技術手段。近年來無人機攝影技術快速發展，越來越多新的技術手段開始應用于低空遙感領域，為提高精度、降低成本提供了技術支持。低空遙感平臺攝影測量技術主要采用無人機設備搭建飛行平臺，來實現高精度、高靈活度和低成本目標。為了提升圖像處理精確性，攝影測量的平臺化應用主要采用數字正射影響DOM 技術來參與圖像處理，實現攝影測量技術創新，具有廣泛的應用價值，如圖1 所示。

圖1 無人機

1 低空遙感測量中無人機攝影技術優勢

小范圍內的遙感測量要求更高的影像分辨率才能夠達到高精度的測繪要求。低空遙感測量當中無人機攝影系統主要能夠快速完成對某一具體區域的遙感圖像采集，方便快捷，效率更高。相較于傳統測量技術，低空遙感無人機技術的主要優勢有以下2 個方面。

1.1 承載能力強

近年來無人機輕體化發展，在極大提升了無人機靈活性的同時，也增強了無人機本身的承載能力。實際應用中，無人機設備對于場地環境寬容度更高，除了平坦陸地環境之外，山區、海洋、湖泊等極為復雜的地形環境和不易到達的區域，無人機也能夠憑借自身承載能力實現安全平穩起降。應用無人機攝影系統進行低空遙感，能夠避免人類活動對于原本生態環境的迫害，同時動態化的無人機遙感測量還能夠實現生態環境、風險等級等實時分析，為地形測繪工作提供質量保障。

1.2 工作效率更高

結合工作環境中的實測數據，對比傳統遙感測繪技術可以發現，低空無人機攝影測量技術在實際工作中有效效率提升幅度達到傳統設備的30 倍以上，單機單日單次攝影覆蓋率更高。同時，與傳統GPS 以及GIS 技術相比，無人機攝影測量從低空高精度出發，獲得的攝影圖像更清晰、更直觀，能夠滿足實際的地理信息測繪要求，提高相關生產效率。實際應用中，無人機設備操作便捷，學習成本較低，對于外業工作人員的技術性要求不高，外業測繪中相關工作人員能夠在短時間內完成自動化信息處理和導出，極大地縮減了人力成本的投入。

2 低空遙感攝影測量技術的創新升級

2.1 DOM 技術的應用

DOM（Digital Orthophoto Map，數字正射影像）是當前無人機攝影測量技術當中的主要技術手段，該技術手段在低空遙感測量當中主要通過不同的投影方式對所獲得的數字影響數據基于投影差進行修正，已達到高精度的影像信息獲取需要，有效避免因數字影像畸變所帶來的誤差。目前低空遙感中所采用的數字正射影響技術主要應用DEM（Digital Elevation Model，數字高程模型）來參與微分糾正，進而獲得正射的數字影像。

低空遙感中DOM 主要的技術特征包含3 個方面。

（1）DOM 技術能夠根據實際用戶遙感測量的需要，進行比例尺、分辨率以及所使用的數據量的自由設置，獲得的數據信息能夠應用于城市規劃、土地管理等部門。應用中獲取信息內容可以基于遙感平臺網絡信息技術來實現實時傳輸和信息共享。

（2）DOM 技術所獲取到的影像數據信息更豐富。DOM 技術參與的低空遙感攝影測量，能夠保證無人機的攝影位置與實際環境情況的反映保持一致，信息更全面真實，獲取圖像中色彩信息還原度高，層次更豐富，能夠為其他地理信息產品提供更細致的觀測數據，幫助傳統測量統計當中無法通過實地勘察獲取到的測量環節提供更詳細精確的信息資料。

（3）DOM 技術還有著面向多個領域的專業性，能夠為不同的技術領域提供遙感信息技術支持。其中較為典型的應用領域如道路交通、農田規劃、水文地理等，DOM 技術都能夠實現技術覆蓋或提供必要的技術支持。

2.2 無人機硬件技術配套支持

近年來國內無人機技術蓬勃發展，誕生了一大批具有高水準高質量的無人機硬件設備，其中以大疆為代表的商用無人機系統推出了ACE 系統、多旋翼飛行控制系統等優秀的控制系統，并提供了諸如三軸手持云臺等硬件支持。與優秀的無人機硬件系統搭配，主要采用DPgrid 分布式并行信息技術，可以針對無人機硬件系統的獲取信息進行影像后期處理，充分發揮兩個平臺的技術優勢，實現技術升級。

DOM 本身要求影像生成需要具備更詳細的紋理信息和幾何屬性，而大疆平臺的無人機設備能夠為其提供前端的硬件平臺化支持，強化低空遙感攝影測量的整體質量。

3 低空遙感平臺攝影測量的系統設計

3.1 低空攝影測量的技術機制

航空攝影主要是針對地理環境進行比例尺地形圖回執，通過攝影形式實現同比例尺下的地理信息圖像還原。但是在以往的技術應用中，航空攝影測量存在小范圍內存在遮擋導致信息丟失或信息失真問題，整體飛行成本過高，經濟性較差以及對于地理環境起降場地要求較為苛刻，無法實現多地形條件應用等諸多問題。因此在低空遙感攝影測量系統設計中，需要著重體現復雜環境、經濟成本和整體穩定性等方面優勢。

低空無人機系統主要解決傳統飛行系統面臨的各種問題，其中整體質量輕，更加靈活，更具承載力以及飛行高度更低獲取信息更全面等優勢，使無人機系統成為低空遙感平臺攝影測量系統設計的首選。

系統設計需要在執行飛行任務之前，對當前所需采集的航攝區域相關資料信息進行采集和分析，結合給出的相關資料內容，對飛行攝影當天的區域內天氣狀況、航攝區域內是否存在同高障礙物等情況進行分析判斷。并以此為設計原則，設置飛行線路、所采用的飛行方式、飛行時段和航高數據，制定完整全面的飛行計劃。無人機攝影飛行需避免彎曲度過大等航線問題，防止產生影像畸變，導致精確度下降。

3.2 無人機設備的分析與選用

無人機是現代測量系統當中主要運用的航空攝影設備，在實際工作運行中，無人機通過搭載攝影裝置與傳感器之間進行信息互通，同時利用GPS 進行航飛路線的規劃，進行預定線路內的飛行拍攝。拍攝的實際影像會記錄在光柵圖像中，完成飛行后，需要對獲取的光柵圖像進行軟件處理，從地理位置信息、內容比對等方面來完成完整航攝區域地理信息圖像的整合。

目前廣泛應用于民商領域的無人機主要有無人飛艇、固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機以及傘翼無人機等多種類型。在低空遙感系統的設計應用中，固定翼無人機和多旋翼無人機的體量最小，運行速度最高，靈活性更強，是主要選用的無人機設備。

3.3 無人機航攝遙感系統設計

無人機航攝遙感系統一般由3 個部分共同組成，其中包括空控系統、地控系統以及后期處理系統。

其中空控系統即為空中控制系統，主要裝載于無人機設備之上，其中包括遙感傳感器、無人機平臺以及遙感控制裝置。其中遙感傳感器主要進行攝影信息的獲取和傳輸，其中包括相機設備、信息傳輸設備，在運行中獲取相關的攝影信息數據；無人機平臺主要是指無人機搭載傳感器的硬件平臺；遙感控制系統為實時控制中心，主要針對無人機的實時飛行姿態進行管控，同時獲取GPS 天線信息數據，對無人機飛行位置信息進行搜集和記錄。

地控系統是指地面控制系統，即為位于地面的控制指揮中心。其中包含航跡規劃、數據顯示等環節。航跡規劃通過預制線路規劃數據和實際航攝區情況進行精確調節，為無人機飛行提供線路指揮，數據顯示系統主要從傳感器進行相關數據信息獲取，并以影像呈現方式傳輸至電子顯示系統當中進行可視化的呈現，幫助控制指揮人員對運行中的實際情況進行分析和判斷。

后期處理系統主要是針對所獲取到的影像信息進行集中的數字化處理，其中包括數據預覽和數據后處理兩個環節，目前在低空遙感平臺當中，主要由數字攝影測量軟件和工作站來共同完成處理工作。

4 系統平臺的指標控制

高質量的低空遙感攝影測量需要進行相應的標準化指標系統建構，通過環環緊扣的質量管控，來保證無人機系統飛行效率和采集質量，實現攝影測量的實際目標。

4.1 無人機飛行平臺關鍵質量指標

首先需要進行飛行平臺的指標控制。其中主要設置航高、無人機的抗風能力、航區內飛行速度、起降性能等幾個方面的數據指標控制。飛行航高主要受到外部氣壓以及氧氣濃度等多方面因素影響，一旦達到一定高度后，無人機設備的發動機將無法正常運轉工作。因此在系統設計管理中應當控制限高。其中平原丘陵地區中無人機最大飛行限高應當在海拔3000m 以內，而高山高遠地區無人機的最大限高則不能超過海拔6000m；抗風能力主要是指無人機在飛行過程中抵御風力保持平穩飛行和安全飛行的能力。目前低空遙感系統中無人機主要分為普通無人機和超輕型無人機兩種類型，前者抗風能力應當達到風力4 級，后者抗風能力應當達到風力5 級，在抗風能力標準中保持飛行穩定和安全；飛行速度也需要進行指標控制，一般航區內無人機最大飛行速度應當控制在時速160km 以內，一般巡航速度則應當保持在時速120km 左右；起降性能方面，無人機應當充分發揮復雜環境的起降能力，具備彈射、撞網回收以及傘降等重要功能，適應在不同環境中起降。除了以上幾個方面之外，還應當控制無人機載荷和測量裝置慣性。通常情況下無人機荷載總量須低于3kg，測量裝置慣性需保證在定向法測圖中實現地域0.01°的側滾角和俯仰角等硬性指標，保證無人機飛行質量。

4.2 傳感器設備關鍵質量指標

傳感器設備在低空遙感系統當中主要充當環境數據獲取和影像信息傳輸的主要功能。目前主要采用數碼相機設備進行傳感攝錄，主要滿足4 個方面的指標要求。

①傳感器相機本身采用的攝影鏡頭應當采用定焦鏡頭，同時保證鏡頭能夠實現無限遠對焦。②在平臺搭載中，傳感器相機的機身與各個部件需要保證穩定性質量，保持牢固。③飛行平臺當中的城鄉探測器面陣的最低像素要求為2000 萬。④傳感器相機的最低快門速度應當達到0.001s。

4.3 航空攝影質量關鍵指標

（1）需要設定航攝傾角，保證攝影范圍全面真實，不出現畸變。低空遙感系統中無人機航攝傾角應當低于5°，最大航攝傾角不能高于12°。

（2）進行攝影航高限制，實際航高設定主要針對飛行線路預設值進行調整控制，其中所處相同航線內的攝影航高偏差不能超過30m，在攝影區域內，設計航高與實際航高之間的誤差不能大于50m。

（3）針對攝影比例尺進行調整，低空遙感系統主要根據不同航高設置不同的比例尺等級，在理想狀態下，比例尺計量主要從航攝儀自身主距和航高兩組數值進行計量，分別設置大比例尺、中比例尺和小比例尺三種情況，確定最終的參考構圖。

（4）進行無人機航向彎曲度的控制，航向彎曲度一般情況下需要低于3%，保證飛航攝影線路穩定，最大彎曲不得大于15%。

4.4 影片處理關鍵技術指標

低空遙感攝影測量中，無人機通常會采用連續拍攝方式進行影像信息記錄，而連續拍攝會出現一定的畫面重疊，甚至出現部分被攝區域遭到重疊的覆蓋，影響影像信息的真實性和直觀性因此在實際的影響處理當中，需要進行間接變設置，來保證影響畫面質量。在進行設置中，主要對航向重疊度Px 和旁向重疊度Py 兩組數據進行控制。經過計算，航向重疊度Px 應當高于60%同時低于80%，同時每分鐘重疊度需要高于53%；旁向重疊度應當處于15%~60%區間，平均每分鐘重疊度應當大于8%。

此外還需要進行攝影獲取像片旋偏角控制，單個像片的旋偏角不得大于8°，三張連續拍攝的航空像片平均旋偏角不得大于6°。

4.5 質量檢查

在飛行系統計劃確定后，需要以無人機安全手冊為標準，對實際的影響質量是否達到標準要求進行檢查。檢查主要包含以下3 個部分。

①要對無人機獲取影響是否清晰，內容信息是否明確進行檢查。②要對當前太陽高度角進行驗證檢查，判斷是否會產生影響陰影，陰影長度是否會對地面物體的清晰度造成影響。③要檢查驗證當前影響攝影的色彩均衡情況，影像反差狀況以及灰度情況。

5 DOM 技術的處理應用

5.1 DOM 技術的影像處理

首先需要進行正射生產環節，對單張航空像片進行正攝影像的分析計算，最終獲得影像文件和影像參數兩組文件。

隨后，對正射影響結果進行可視化的完整影像信息拼接，并對其內部設計的重疊區域進行調整。目前DPgrid 軟件具有自動拼接功能，能夠對所處位置的影像進行共性信息分析，完成拼接。不過在重疊裁剪拼接后，會出現邊緣位置的幾何性狀畸變和色彩差異狀況，需要進行下一步的圖像處理。

后期處理操作人員可以在系統當中通過手動添加節點的處理策略，來進行各個部分拼接線的編輯，通過調整拼接線走勢的方式，來對拼接線所處的兩邊影像進行平滑自然過渡，減小色差影響和形變問題，完成拼接編輯。

隨后需要進行正射編輯，對局部色彩問題進行調光處理。其中DPgrid 可以使用PS 插件進行交互處理，通過調整局部亮度，來恢復影像的細節信息顯示，獲取精準度更高的正射影像。

5.2 DOM 常見問題處理策略

在實際的DOM 正射影像處理當中，較常出現扭曲變形、重影模糊等問題，在處理調整中，需要明確問題產生原因，選擇合適的處理方法進行處理。

通常情況下，大部分問題出現來源于拼接處理問題，在實際待處理當中需要采用PS 軟件來重新對關鍵拼接信息進行重新調整，以達到拼接線的完全消除效果。

此外，部分情況下還會因為影像畫面本身的光影環境復雜，導致色彩色調出現明顯差異，影響影像信息的內容傳遞。目前DPgrid 軟件在光效處理中主要采用waliis 濾波器進行色彩調節，但是容易出現多幅影像之間的色彩不一致現象。在后續的處理中，可以借助PS 勻色處理方式對誤差較大的區域進行重新的色彩調整，借助亮區和暗區的反選，實現色彩在調教，保證質量效果。