CW20無人機(jī)在明光市澗溪鎮(zhèn)1：1000正射影像圖制作中的應(yīng)用分析

年四磊 （安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230000）

1 引言

澗溪鎮(zhèn)地處安徽省明光市東部，總面積164.4km2，人口4.5萬，為皖東重鎮(zhèn)。澗溪鎮(zhèn)歷史悠久，《嘉山地名錄》載：“因地處環(huán)山之中，有一小河流經(jīng)，故名。”東與江蘇省盱眙縣接壤，為周邊兩省三縣數(shù)十個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)商品集散地，素有“小南京”之稱，現(xiàn)已編入南京都市圈地名冊(cè)。澗溪山川秀美，擁有“白色黃金”之稱的凹凸棒粘土，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、石化、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。

因CW-20垂直起降無人機(jī)具有受場地限制較小、小型輕便等優(yōu)勢，在任務(wù)比較緊急的情況下，我們采用了CW-20垂直起降無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)，對(duì)明光市澗溪鎮(zhèn)約61km2進(jìn)行制作1:1000正射影像圖。本次航拍的范圍，南北長約10.66km，東西寬約5.75km，總面積約61km2，測區(qū)內(nèi)有309省道，交通較為便利。

2 無人機(jī)航空攝影

2.1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)的選擇

本項(xiàng)目采用了CW-20垂直起降無人機(jī)（如圖1）、4200萬像素的索尼α 7RII相機(jī)和零度飛控軟件組成無人機(jī)航攝系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了GNSS、空氣速度計(jì)、差分GPS、氣壓計(jì)等多種傳感器。

圖1 CW-20無人機(jī)

2.2 測區(qū)航線的生成

選擇比較適合航攝的天氣，直接進(jìn)入測區(qū)內(nèi)，選擇一個(gè)相對(duì)開闊的垂直起降的場地。首先，架設(shè)飛機(jī)導(dǎo)入測區(qū)的范圍線KML格式的紅線，保證實(shí)際飛行時(shí)攝區(qū)覆蓋范圍滿足要求。按照航向70%和旁向均不低于55%的重疊度進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體航攝技術(shù)參數(shù)詳見表1。

其次，按導(dǎo)入的航拍區(qū)域，生成對(duì)應(yīng)的航線（如圖2航線布設(shè)示意圖）。本次航飛設(shè)置比例尺為1:1000，會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的航線，總航程共305.7km，共分了2個(gè)架次來飛。最后，進(jìn)行航飛獲取數(shù)據(jù)[3]。

圖2 航線布設(shè)示意圖

2.3 影像數(shù)據(jù)獲取

CW-20無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)采用垂直自動(dòng)起降，在CW-20飛行過程中系統(tǒng)采用的是飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，地面站監(jiān)控員通過地面站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測CW-20的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)掌握CW-20的位置、姿態(tài)、電量、信號(hào)強(qiáng)度、風(fēng)速以及各種警告信息等情況。將設(shè)置好的索尼α7RII相機(jī)放入機(jī)艙內(nèi)，數(shù)碼相機(jī)可以定點(diǎn)曝光，利用架設(shè)好的RTK基站，自動(dòng)獲取影像和姿態(tài)數(shù)據(jù)，確保不同架次、不同時(shí)段所攝航片影像校色準(zhǔn)確、色彩均勻、相同地物的色彩一致。飛行結(jié)束后，下載2個(gè)架次的POS和拷貝對(duì)應(yīng)的照片，并整理好差分的POS以供內(nèi)業(yè)處理。

2.4 像控點(diǎn)測量

本項(xiàng)目的像控點(diǎn)采用CORS-RTK方法進(jìn)行測量，每公里大約2個(gè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)嚴(yán)格按照規(guī)范來布設(shè)，并且所測像控點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均滿足本項(xiàng)目1:1000正射影像圖制作的需要，側(cè)區(qū)內(nèi)共打了32個(gè)像控點(diǎn)。

3 正射影像圖（DOM）制作

利用pixelgrid UAV系統(tǒng)處理無人機(jī)影像圖的主要過程：資料準(zhǔn)備、野外像控點(diǎn)測量、畸變差校正，空三自動(dòng)加密、DEM制作、影像勻色、鑲嵌成圖、DOM輸出。利用PixelGrid UAV系統(tǒng)處理無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的流程：原始影像→畸變差校正→控制資料→控三加密→DEM制作→DOM制作→DOM成果。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

收集新飛行的數(shù)據(jù)，每張像片的原始資料均包括POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、相機(jī)文件以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。每張像片的POS數(shù)據(jù)均包括像片號(hào)、緯度、經(jīng)度、大地高、航高、航向方位角、航向傾角、旁向傾角等信息。主要檢查航帶轉(zhuǎn)彎處的相片號(hào)，讓POS數(shù)據(jù)中的相片號(hào)與影像數(shù)據(jù)相片號(hào)一一對(duì)應(yīng)。

航攝設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)表 表1

檢查點(diǎn)檢查情況表 表2

3.2 DOM生產(chǎn)

①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。利用pixelgrid軟件收集準(zhǔn)備無人機(jī)參數(shù)和相機(jī)資料。其中包括原始影像數(shù)據(jù)和相機(jī)檢校參數(shù)、POS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、航線圖（包括航線索引圖、飛行方向、飛行架次等）等。

②畸變差校正。由于無人機(jī)航拍的照片，畸變差較大，其像片存在邊緣畸變，需對(duì)其進(jìn)行畸變差校正后才能進(jìn)行加密。利用相機(jī)檢校參數(shù)，用PixelGrid UAV軟件對(duì)無人機(jī)航片進(jìn)行主點(diǎn)及畸變差校正，生成無主點(diǎn)偏移及畸變的影像。

③空三加密。首先，建立工程文件，根據(jù)航線，對(duì)做好畸變差校正的航片，進(jìn)行影像自動(dòng)內(nèi)定向，確定航帶初始點(diǎn)偏移量，進(jìn)行全測區(qū)自動(dòng)匹配，剔除多余的粗差大的像點(diǎn)，然后進(jìn)行連接點(diǎn)的交互編輯，轉(zhuǎn)刺控制點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域平差解算，完成空三加密，輸出空成果[4]。

④DEM制作。空三加密完成后，進(jìn)行DSM匹配、編輯及濾波處理（目的是去除所有建筑物與植被）。

⑤DOM制作。對(duì)影像進(jìn)行正射糾正前，需對(duì)影像進(jìn)行勻光、勻色處理，才能保證最終D0M成果的色調(diào)一致。系統(tǒng)可選擇多種方法進(jìn)行勻光處理，有自適應(yīng)模板法、頻率域勻光法、小波低通濾波法等。勻光處理后還要進(jìn)行勻色處理，才能實(shí)現(xiàn)色彩統(tǒng)一。勻色方法有:均值方差匹配法;直方圖匹配法;測區(qū)全局匹配法。可選擇其中一種勻色方法進(jìn)行勻色。正射影像采用單機(jī)多核進(jìn)行正射糾正處理，用測區(qū)大DEM對(duì)單片航片進(jìn)行糾正。最后，對(duì)單片D0M進(jìn)行拼接及裁切輸出。在進(jìn)行拼接時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)生成拼接線，并對(duì)拼接線進(jìn)行修改，以達(dá)到最好的拼接效果，DOM成果如圖3所示[2]。

圖3 DOM成果示意圖

4 DOM成果質(zhì)量檢查

4.1 DOM地物點(diǎn)檢查

為了驗(yàn)證本項(xiàng)目DOM精度，還利用RTK在整個(gè)測區(qū)隨機(jī)施測了8個(gè)地物進(jìn)行檢查，檢查的詳細(xì)情況見表2。

像控點(diǎn)中誤差計(jì)算：

4.2 飛行質(zhì)量檢查

通過對(duì)本項(xiàng)目的飛行質(zhì)量逐項(xiàng)進(jìn)行檢查，質(zhì)檢人員的最終評(píng)價(jià)為航攝儀和航攝比例尺選擇正確，航攝分區(qū)合理，航線敷設(shè)方法正確，航攝時(shí)間選擇合理。像片航向和旁向重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線彎曲度、航高保持、邊界覆蓋保證、漏洞補(bǔ)攝、飛行記錄填寫均符合規(guī)范要求。

4.3 影像質(zhì)量檢查

通過質(zhì)檢人員對(duì)所有影像進(jìn)行了認(rèn)真仔細(xì)的分析，最終評(píng)價(jià)為該項(xiàng)目的整體影像清晰，層次豐富，色彩反差適中、色調(diào)柔和，無陰影和云影，未出現(xiàn)大面積反光和污點(diǎn)，拼接影像無明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象，影像質(zhì)量符合規(guī)范要求。

5 影響正射影像圖（DOM）制作的幾個(gè)關(guān)鍵因素

影響正射影像圖（DOM）制作的幾個(gè)關(guān)鍵因素：一是像控點(diǎn)精度，影響DOM制作精度最重要的就是像控點(diǎn)精度，因此像控點(diǎn)的選擇、野外測量的精度、控制點(diǎn)刺點(diǎn)的精度等非常重要；二是DEM的精度，DEM是制作DOM的基礎(chǔ)，DEM的精度也相當(dāng)關(guān)鍵；三是無人機(jī)空中飛行的質(zhì)量，包括無人機(jī)飛行姿態(tài)、重疊度、旋偏角、曝光瞬間相機(jī)在空間的姿態(tài)等；四是無人機(jī)航飛的原始影像質(zhì)量，包括影像清晰度，色彩反差、陰影、云影、反光等；五是后處理軟件的算法及功能情況等。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目是CW-20無人機(jī)首次在地方利用無人機(jī)航攝技術(shù)制作1:1000大比例尺正射影像圖，具有靈活機(jī)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)高效、使用成本低、維護(hù)操作簡單、能完成有人駕駛飛機(jī)不宜執(zhí)行的多種任務(wù)等技術(shù)特點(diǎn)，且DOM具有精度高、信息豐富、直觀真實(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和航攝技術(shù)的發(fā)展，利用CW-20無人機(jī)航測技術(shù)制作大比例尺數(shù)字正射影像圖將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。