無人機(jī)低空遙感是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充, 具有空域申請便利、受氣象和起降場地限制小、應(yīng)用范圍廣、作業(yè)成本低、生產(chǎn)周期短、圖像精細(xì)等特點(diǎn)。隨著無人機(jī)平臺、載荷設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)的發(fā)展, 無人機(jī)低空遙感對快速獲取高空間分辨率影像具有明顯的優(yōu)勢, 在災(zāi)害應(yīng)急處理、基礎(chǔ)測繪、土地利用調(diào)查、礦山開發(fā)監(jiān)測和智慧城市建設(shè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1，2,3,4,5]。目前, 相關(guān)研究主要集中在無人機(jī)航攝影像匹配、三維重建和圖像識別等方面。將無人機(jī)低空遙感技術(shù)在各領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用, 還必須掌握無人機(jī)遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作流程規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)。

周口店地區(qū)是我國傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地之一, 盡管多年來該區(qū)域積累了大量繪制地質(zhì)資料, 但仍急需該區(qū)域的高精度正射影像、三維模型等數(shù)據(jù), 為地質(zhì)實(shí)習(xí)人員提供可靠依據(jù)。本文從無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用的角度, 對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究, 搭建了無人機(jī)遙感系統(tǒng), 在周口店地區(qū)開展了應(yīng)用實(shí)驗(yàn), 獲取了周口店地區(qū)大范圍的高精度的數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)、數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map, DOM)和數(shù)字表面模型(digital surface model, DSM)等數(shù)據(jù), 為區(qū)域地質(zhì)實(shí)習(xí)提供了可靠依據(jù), 實(shí)現(xiàn)了低成本、高效的無人機(jī)低空遙感應(yīng)用, 驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)所采用技術(shù)方法的實(shí)用性。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)一般包括: 無人機(jī)平臺、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(飛控系統(tǒng))、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、野外保障裝備以及其他附屬設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中, 應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求, 選擇合適的無人機(jī)平臺及任務(wù)設(shè)備。無人機(jī)遙感系統(tǒng)一般組成及連接原理見圖1。

圖1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

主要系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面:

1)無人機(jī)平臺。其主要功能是搭載飛控系統(tǒng)和相機(jī)等載荷并執(zhí)行飛行任務(wù)。常用機(jī)型有固定翼型和旋翼型2類。固定翼型無人機(jī)航速快、續(xù)航時(shí)間長, 適合大范圍的航拍工作, 作業(yè)范圍甚至可達(dá)幾十km2; 旋翼型無人機(jī)具有機(jī)動靈活、可懸停、起降要求低等優(yōu)點(diǎn), 但相對航速慢、續(xù)航時(shí)間短, 適合小范圍、高精度的調(diào)查工作。若開展大面積的航攝調(diào)查, 一般選擇固定翼無人機(jī)進(jìn)行正射投影測量; 若開展精度較高的三維建模, 一般選擇旋翼型無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量。

2)飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是配套的硬件, 與地面便攜式計(jì)算機(jī)中安裝的監(jiān)控系統(tǒng)軟件匹配使用。飛控系統(tǒng)集成或與之連接的無線電傳輸模塊/遙控器傳輸模塊(空中)跟無線電數(shù)據(jù)接收機(jī)/無線電遙控器(地面)分別匹配, 實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)和載荷設(shè)備的監(jiān)測與控制, 同步記錄航拍時(shí)對應(yīng)影像的POS數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)等參數(shù)。

3)任務(wù)設(shè)備。無人機(jī)低空遙感一般采用非測量相機(jī)作為任務(wù)設(shè)備。相機(jī)的性能越好, 航拍影像的精度、質(zhì)量等參數(shù)越好, 但需綜合考慮成本、重量等因素。相機(jī)由飛控系統(tǒng)自動控制, 可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)、定距離拍攝。為了提升圖像和后期計(jì)算的精度, 航拍前需要對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。隨著Pix4Dmapper等軟件算法和功能的提升, 常可以省略標(biāo)定工作。

4)發(fā)射與回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于保證無人機(jī)安全起飛和著陸。對于固定翼型無人機(jī), 在地理環(huán)境復(fù)雜、場地不具備滑跑條件的區(qū)域工作時(shí), 一般采用拋射、彈射方式發(fā)射和傘降回收。

5)野外保障裝備以及其他附屬設(shè)備。根據(jù)野外工作的實(shí)際需求, 還應(yīng)配備運(yùn)輸設(shè)備、維護(hù)工具箱和備附零件等野外保障裝備以及其他附屬設(shè)備, 保障無人機(jī)航拍作業(yè)順利完成。

2、工作流程

相對于傳統(tǒng)的航空攝影測量工作, 無人機(jī)低空遙感通?？沼蛏暾埍憷? 升空準(zhǔn)備時(shí)間短, 受氣象、起降場地限制較小, 對區(qū)域地質(zhì)條件要求較低。規(guī)劃科學(xué)合理的工作流程, 是確保無人機(jī)低空遙感調(diào)查任務(wù)成功的重要條件。一般工作流程見圖2。

圖2 無人機(jī)遙感調(diào)查技術(shù)流程

1)根據(jù)獲取的任務(wù)要求進(jìn)行分析, 圈定調(diào)查區(qū)域, 了解任務(wù)區(qū)域的基本地理信息、天氣及航空管制情況, 制定無人機(jī)飛行方案, 確定無人機(jī)的起降點(diǎn)、航線、飛行高度和飛行架次等。

2)根據(jù)飛行方案、區(qū)域地形、地質(zhì)條件、航程、載荷和經(jīng)費(fèi)等要求, 確定無人機(jī)系統(tǒng)參數(shù), 綜合考慮成本效率比, 搭建或選擇無人機(jī)遙感系統(tǒng)。此外, 還需設(shè)定任務(wù)載荷控制參數(shù)。由于無人機(jī)機(jī)體小、重量輕, 在空中易受到氣流干擾。為保證無人機(jī)航攝影像的質(zhì)量, 要求其影像航向重疊度控制在70%~85%、旁向重疊度控制在35%~60%, 即需根據(jù)影像精度要求、航速、飛行高度和相機(jī)參數(shù)等確定合理的相機(jī)拍攝時(shí)間間隔, 從而獲取有效的、滿足數(shù)據(jù)處理要求的重疊影像[6]。

需要注意的是, 除了特別的應(yīng)急需求, 應(yīng)盡量選擇天氣較好的時(shí)間進(jìn)行航攝, 以確保影像清晰度。在光線允許的條件下, 盡量使用定焦鏡頭, 采用小光圈拍攝, 并將相機(jī)ISO感光度調(diào)至最小, 否則大光圈景深不夠會導(dǎo)致三維模型模糊, 而感光度越大則噪聲越多。此外, 要控制鏡頭畸變, 以保證后期制作的三維模型質(zhì)量。

3)到達(dá)飛行區(qū)域后, 開展飛行準(zhǔn)備工作, 包括無人機(jī)全系統(tǒng)測試、發(fā)射與回收系統(tǒng)準(zhǔn)備等, 為無人機(jī)的順利起降及安全作業(yè)提供必要保障。

4)飛行作業(yè)時(shí), 通過地面站程控?zé)o人機(jī), 按照規(guī)劃的航線自主飛行, 控制搭載相機(jī)及各類傳感器獲取飛行姿態(tài)、目標(biāo)地物影像等數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)可通過無線數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)傳輸給地面站, 或在無人機(jī)回收后通過存儲卡讀取。

5)獲取全部無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)后, 進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配、質(zhì)量檢查和壞點(diǎn)剔除等預(yù)處理工作。完成基本參數(shù)設(shè)置后, 通過各類無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算、加工和處理, 最終輸出調(diào)查區(qū)域的DOM和DEM等數(shù)據(jù)成果。

3、數(shù)據(jù)處理

3.1 影像處理軟件

無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)處理原理是通過數(shù)字?jǐn)z影測量的方法進(jìn)行計(jì)算, 即對不同位置獲取的具有一定重疊度的2張影像, 通過建立其攝影瞬間投影中心、影像和地物之間的共線方程, 根據(jù)地面控制點(diǎn)(ground control point, GCP)的實(shí)際坐標(biāo), 算出與影像連接點(diǎn)(tie point, TP)對應(yīng)的地物三維坐標(biāo)[7]。在實(shí)際處理無人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)時(shí), 一般通過成熟的商業(yè)軟件完成相應(yīng)計(jì)算。

當(dāng)前, 無人機(jī)遙感影像處理軟件主要有: DPGird, PixelGrid, DPMatrix, MAP-AT, FlightMatrix, GodWork, Heli-Mapping, Cloud-AT以及GEOWAY for UAV等國內(nèi)軟件, 還有Inpho, Pix4Dmapper, PIEneering, PhotoMOD, LPS, IPS, SSK, Socetset及LISA等國外的軟件[8]。這些軟件可以完成內(nèi)定向、空三加密、生成點(diǎn)云模型、DEM提取、影像糾正與拼接和DOM制作等工作。

隨著算法和功能的不斷進(jìn)步, 各類無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理軟件對計(jì)算參數(shù)要求越來越低, 自動化程度和計(jì)算精度不斷提升。例如Pix4Dmapper可完全自動地完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程, 甚至無需無人機(jī)的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)即可完成影像處理, 通過自動空三計(jì)算原始影像外方位元素, 利用Pix4UAV的技術(shù)和區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)自動校準(zhǔn)影像, 還可以無需相機(jī)檢校和控制點(diǎn)數(shù)據(jù), 依據(jù)多目視覺影像三維重建技術(shù)生成三維模型。Pix4Dmapper可以處理多個(gè)不同相機(jī)拍攝的影像, 將數(shù)千張影像數(shù)據(jù)合并成一個(gè)工程進(jìn)行處理, 拼接為一個(gè)影像, 快速形成成果圖(DOM和DSM等)。此外, Pix4Dmapper可自動生成精度報(bào)告, 提供定量化的自動空三、區(qū)域網(wǎng)平差和地面控制點(diǎn)的精度, 快速和正確地評估結(jié)果的質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

無人機(jī)由于其自重較輕等自身特點(diǎn)的局限性, 存在飛行姿態(tài)不夠穩(wěn)定等問題, 導(dǎo)致所獲取的影像有旋偏角偏大、影像畸變和重疊度不規(guī)則等現(xiàn)象[10,11]。傳統(tǒng)的航空攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件處理無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)時(shí), 工作量大, 校對程序復(fù)雜。本文采用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作, 其一般處理流程見圖3。

圖3 無人機(jī)影像處理流程

1)原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。原始數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)以及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。需確認(rèn)原始數(shù)據(jù)的完整性, 刪除質(zhì)量不合格的影像數(shù)據(jù)。通過對航帶變化處的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行核對, 將每一組數(shù)據(jù)與影像對應(yīng), 用于數(shù)據(jù)處理?？刂泣c(diǎn)有助于提升影像精度。控制點(diǎn)必須在測區(qū)范圍內(nèi)合理分布, 通常在測區(qū)四周以及中間都要有控制點(diǎn)。一般100張相片需要6個(gè)控制點(diǎn)左右, 更多的控制點(diǎn)對精度也不會有明顯的提升, 但在高程變化大的地方, 更多的控制點(diǎn)可以提升模型精度[9]。

2)參數(shù)設(shè)置。進(jìn)行初始化設(shè)置、點(diǎn)云加密設(shè)置、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)成果設(shè)置等, 主要參數(shù)包括: 坐標(biāo)系參數(shù)、地理定位參數(shù)、相機(jī)參數(shù)、DSM及DOM生成參數(shù)等。

3)計(jì)算及處理。完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入、參數(shù)設(shè)置后, Pix4Dmapper即可自動進(jìn)行計(jì)算, 完成影像重疊匹配、內(nèi)定向、光束法局域網(wǎng)平差計(jì)算以及相機(jī)自檢校等, 利用生成的DEM數(shù)據(jù)對無人機(jī)影像進(jìn)行傾斜改正和投影差校正, 完成影像鑲嵌、勻色和裁剪等工作, 最終得到調(diào)查地區(qū)的點(diǎn)云模型、DEM、三維DOM和DSM等。

點(diǎn)云模型進(jìn)行插值加密后可生成真實(shí)三維模型, 可用于實(shí)際地物的任意距離、面積和體積的測量, 見圖4。DOM可以采取平面投影和正射投影2種方式生成。平面投影清晰度高, 正射投影位置更準(zhǔn)確。對DOM和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行合成并經(jīng)過3D MAX和VRP軟件的處理還可得到三維演示模型。

圖4 三維模型的體積量算

4、實(shí)例應(yīng)用

4.1 任務(wù)概況

周口店地區(qū)位于華北板塊中部, 是燕山山脈、太行山山脈和華北平原的接壤地帶, 是我國傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地之一。在實(shí)際野外實(shí)習(xí)工作中, 急需該區(qū)域的高精度DOM、三維模型等數(shù)據(jù), 為實(shí)習(xí)人員進(jìn)行區(qū)域整體認(rèn)知提供依據(jù), 對該地區(qū)的遙感地質(zhì)解譯情況與野外觀察結(jié)論進(jìn)行對比驗(yàn)證。

4.2 飛行方案的設(shè)計(jì)

本次調(diào)查采用的是固定翼無人機(jī)平臺, 其翼展1.2 m, 起飛重量1.5 kg, 有效載荷300 g; 巡航速度為60~160 km/h, 續(xù)航時(shí)間不小于1.5 h, 單次飛行時(shí)間在40 min以內(nèi); 抗風(fēng)能力大于4級; 搭載三星NX MINI微單相機(jī), 搭配9 mm定焦廣角鏡頭。飛控系統(tǒng)采用Pixhack飛行控制器, 集成了GPS, 慣性測量、無線電傳輸和遙控器等模塊, 自帶通用性減震器。地面站采用Mission Planner控制軟件, 是可以搭建、配置和調(diào)試全功能硬件回路的無人機(jī)系統(tǒng)的重要構(gòu)件, 具有無人機(jī)飛行模擬器界面。設(shè)置相關(guān)參數(shù)后, Mission Planner使用Google Maps就可以進(jìn)行航點(diǎn)輸入, 完成航線規(guī)劃、飛行控制等任務(wù)。

選取的飛行測區(qū)為位于周口店地質(zhì)實(shí)習(xí)基地以東, 面積約12 km2的太平山及其周邊地質(zhì)實(shí)習(xí)區(qū)域。該區(qū)位于太行山脈北麓與華北平原接壤處, 海拔為150~300 m, 最高山峰為太平山, 海拔301 m, 相對高差約為150 m。規(guī)劃2次航線, 東西向和南北向各1航次。考慮到太平山對電臺信號的遮擋, 將起飛點(diǎn)設(shè)定在2個(gè)不同的地區(qū), 太平山的南坡與北坡各一個(gè)。相片的重疊度設(shè)定為航向重疊度80%, 旁向重疊度60%, 相對航高為300 m, 地面空間分辨率為10 cm。

4.3 數(shù)據(jù)獲取及處理

實(shí)際飛行2航次, 飛行任務(wù)順利, 共獲取照片800余張, 相片質(zhì)量良好。采用手持式高精度GPS接收機(jī), 在飛行區(qū)域?qū)崪y控制點(diǎn)28個(gè), 并以在測區(qū)內(nèi)均勻分布為原則從中隨機(jī)抽取了檢查點(diǎn)20個(gè)。

采用Pix4Dmapper進(jìn)行無人機(jī)低空影像數(shù)據(jù)處理, 將獲取的影像數(shù)據(jù)按照3.2節(jié)的流程進(jìn)行了處理。首先, 將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理; 然后, 建立工程并導(dǎo)入原始數(shù)據(jù), 設(shè)置相機(jī)文件, 生成航帶并采用軟件快速處理的方法, 生成初步數(shù)據(jù)結(jié)果和質(zhì)量精度報(bào)告, 用于檢查影像匹配情況和相機(jī)模型誤差(即最初的相機(jī)焦距和計(jì)算得到的相機(jī)焦距相差不能超過5%, 否則需重新設(shè)置); 再用像控點(diǎn)編輯器在像片上逐個(gè)刺出控制點(diǎn), 并在完成控制點(diǎn)導(dǎo)入后, 采用軟件高精度處理的方法自動完成內(nèi)定向、光束法局域網(wǎng)平差計(jì)算等; 最后, 進(jìn)行點(diǎn)云及DOM編輯, 依次進(jìn)行點(diǎn)云模型生成、DEM生成、調(diào)整拼接線、投影切換、影像混合、生成DOM, 最終生成空間分辨率為0.2 m的DOM。全部處理過程耗時(shí)156 min。

4.4 結(jié)果分析

通過Pix4Dmapper處理生成的周口店地區(qū)DOM如圖5所示, 該影像未經(jīng)過后期處理。通過目視判讀可以看出DOM的拼接效果好, 沒有明顯的錯(cuò)縫, 色調(diào)均勻, 反差適中。

圖5 周口店地區(qū)的正射影像

將手動測量檢查點(diǎn)在DOM(含DEM高程數(shù)據(jù))上的三維坐標(biāo)與野外實(shí)測坐標(biāo)比對, 分析了數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量, 2種處理方法的誤差統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 周口店無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)

從表1中可以得出, 通過Pix4Dmapper進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)處理的結(jié)果精度較高, 生成的DOM和DEM精度符合GB 23236— 2009《數(shù)字?jǐn)z影測量空中三角測量規(guī)范》中對精度的要求, 可以滿足常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查、應(yīng)急測繪等應(yīng)用的需要?？焖偬幚淼臄?shù)據(jù)精度較低, 最大高程誤差達(dá)到12.44 m, 無法滿足精確三維建模的需求。這主要是因?yàn)榭焖偬幚砦匆氲孛婵刂泣c(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正, 而無人機(jī)飛控系統(tǒng)采集的POS數(shù)據(jù)精度不夠。因此, 快速處理一般在飛行現(xiàn)場進(jìn)行, 主要起到快速檢查的作用, 發(fā)現(xiàn)問題可及時(shí)糾正, 防止后續(xù)室內(nèi)高精度處理時(shí)才發(fā)現(xiàn)問題, 喪失補(bǔ)救時(shí)機(jī)而導(dǎo)致任務(wù)失敗。

此外, 還可將Pix4Dmapper高精度處理生成的點(diǎn)云模型, 直接應(yīng)用于周口店地質(zhì)實(shí)習(xí)的線路規(guī)劃與距離測量、礦山開發(fā)體量計(jì)算與監(jiān)測等工作, 具有較高的精度、很好的實(shí)用性與時(shí)效性。

5、結(jié)論

1)本文對無人機(jī)低空遙感應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究, 在周口店地質(zhì)實(shí)習(xí)區(qū)開展了應(yīng)用實(shí)驗(yàn), 獲取了目標(biāo)區(qū)域0.2 m空間分辨率的影像及DOM等數(shù)據(jù), 處理時(shí)間、影像質(zhì)量和成果精度均滿足常規(guī)地質(zhì)調(diào)查、應(yīng)急測繪等應(yīng)用需求, 驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)所采用技術(shù)方法的實(shí)用性, 為無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用提供了參考。

2)規(guī)劃合理的工作流程是順利完成無人機(jī)低空遙感應(yīng)用工作的重要保證。在實(shí)際工作中, 必須考慮調(diào)查區(qū)域的地理信息、天氣及航空管制情況, 合理制定無人機(jī)飛行方案。

3)無人機(jī)遙感系統(tǒng)的搭建與拍攝參數(shù)確定是順利完成飛行任務(wù)的關(guān)鍵。需要根據(jù)飛行方案、航程和載荷等搭建無人機(jī)遙感系統(tǒng), 根據(jù)航速、飛行高度等確定合理的相機(jī)拍攝時(shí)間間隔或相片重疊度參數(shù), 以滿足后期數(shù)據(jù)處理要求。

4)采用成熟、專業(yè)的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理軟件, 可將工程人員從各類繁雜的影像算法中解脫出來, 專注于處理業(yè)務(wù)問題, 可大大提高無人機(jī)低空遙感的應(yīng)用效率。隨著無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備精度的提高和數(shù)據(jù)處理軟件算法的進(jìn)步, 無人機(jī)低空遙感技術(shù)將在災(zāi)害應(yīng)急處理、土地利用調(diào)查、礦山開發(fā)監(jiān)測和智慧城市建設(shè)等方面發(fā)揮越來越顯著的作用。