四旋翼无人机影像获取及DOM生产研究

连 蓉

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

1 试验区概况

试验区位于重庆市綦江区永新镇，镇区内地貌属丘陵类型，面积约为1.5 km2。首先采用天鹰-1000型四旋翼无人机系统对其进行低空摄影，获取具有一定重叠度的影像并对其进行飞行质量检查；然后利用NPHO数字航空摄影测量系统分别进行了基于POS数据及利用区域内历史资料选取像控点2种方式的空中三角测量、DEM制作及编辑、DOM纠正、DOM镶嵌匀色等工作，最终对2种方式生产的DOM成果的精度及质量进行了对比评价，如图1所示。

2 四旋翼无人机系统集成及航空摄影

2.1 四旋翼无人机系统集成

本研究所用的四旋翼无人机系统为天鹰-1000型。其通过陀螺仪、加速计、GPS位置、方向传感器、高度传感器等进行姿态检测和控制，有效稳定了飞行姿态。搭载奥林巴斯 EP-3相机，可控制俯仰和滚转的相机云台带陀螺自稳功能，能够进行低空影像拍摄。具体参数如表1所示。

表1 天鹰-1000四旋翼无人机技术参数表

地面操控系统主要功能包括航线规划、实时数据传输和飞行数据后处理，其中航线规划是基于mdCockpit模块进行的，可利用其设置及执行基于航点导航的自动飞行并支持现场改变已经规划好的航线；实时数据接传输主要是下传链路解码器中接收的飞行器在飞行中的实时遥测数据流，可让操控手时刻掌握飞行器当前的位置、状态和可能出现的意外，还可被追踪及记录，以便在飞行器发生意外时尽早将其找回；飞行数据后处理是指飞行器中内置的SD卡上面的飞行记录数据，可追踪所有输入到飞控板及导航版中的传感器信息，以及航摄过程中的相片及视频数据，完成飞行后，还可通过mdCockpit读取及分析数据。四旋翼飞行器及地面操控系统如图2所示。

2.2 航线规划及低空摄影

本系统采用mdCockpit应用程序，基于谷歌地图对试验区域进行区域分析，并结合区域内地形及航飞范围进行航线规划。根据测区情况，本次试验规划航线数6条，每条航线15张影像，设计航线重叠度为75%，旁向重叠度为35%，如图3所示。

2013年1月10日，利用天鹰-1000型四旋翼无人机系统，对重庆市綦江区永新镇进行了航空摄影，航飞参数如表2所示。

表2 航飞参数

3 飞行质量评价

3.1 相片重叠度

按照低空数字航空摄影要求，影像航向重叠率为60%～80%，不得小于53%；旁向重叠率为15%～60%，不得小于8%。本次飞行试验考虑到测区高差、天气以及飞机性能等因素，设计航向重叠率为75%，旁向重叠率为35%。根据相机曝光时刻的记录信息，利用软件按重叠度排列，进行了检查，整个航摄区域内没有出现漏洞现象，且满足航片重叠率的要求。

3.2 相片旋角

低空无人机航摄相片旋角与传统航空摄影旋偏角略有不同，是指相邻2张影像同名像点重合后，其相邻相片边线的夹角。按照《低空数字航空摄影规范》要求，相片旋角一般不大于15°，个别不大于30°，在同一航线上旋角超过20°的相片不超过3片，超过15°的相片数不超过总数的10%。本次航摄影像检查后每条航线内最大旋偏角如表3所示。

表3 各航带最大旋偏角/°

3.3 航线弯曲度

航线弯曲度是指航线两端相片主点之间的直线距离与偏离该直线的最远像主点到该直线的垂直距离之比，一般采用%表示。一般规定，航带弯曲度不得超过3% 。其计算公式为：

式中，E为航线弯曲度；∆L为像主点偏离航线首末像主点连线的最大距离；L为航线首末像主点连线的长度。通过对航飞数据的检查，各航带弯曲度见表4。

表4 各航带最大弯曲度

3.4 航高保持

航高变化直接影响影像重叠度及摄影比例尺。按照规范要求，同一航线，相邻相片航高差不应大于30 m，最大航高与最小航高差不应大于50 m。利用飞机自带航迹文件，对测区内各航带最大航高差进行了检查，其中最后3条航带高差超限约10 m。结合当时飞行情况可知，风力是造成飞行不稳定的主要原因，后续飞行中需注意天气情况。各航带航高差见表5。

表5 航带最大航高差/m

4 影像正射纠正处理

天鹰-1000型四旋翼无人机系统自带GPS及惯导装置，可直接获取相片的外方位元素，且已有试验表明，利用POS系统获取的影像定向参数可直接用于数字正射影像图的制作，本文通过以下实验，验证2种方式的DOM成果质量。实验1：采用无人机飞控系统自带的GPS、方向及高度传感器装置获取的POS信息直接定向进行正射影像纠正；实验2：利用区域内现有历史资料选取像控点进行空三加密，进行正射影像纠正。最后对2种结果进行对比分析。

4.1 空三加密

1）利用POS数据直接定向。低空无人飞机飞行的不稳定性使其获取的外方位元素存在粗差及突变，在利用POS辅助平差前可对其进行一定优化。首先利用飞机获取的外方位元素中的线元素（GPS）进行同名像点匹配，并进行平差得到新的外方位元素。这一过程可有效地对原始POS信息进行优化，并剔除部分粗差。在相片外方位元素已知的情况下，当量测了一对同名像点后，即可利用前方交会计算出对应地面点的地面摄影测量坐标，实验1即采用INPHO数字摄影测量系统直接运用已知的外方位元素进行定向并输出加密点结果。

2）利用历史资料选取像控点进行空中三角测量。试验区内最高精度的历史资料为1∶1万DLG和1∶1万DEM，利用其选择了13个平高点。受历史资料现势性所限，其分布无法完全按照规范要求布设，如图4所示。利用INPHO数字航空摄影测量系统在实验1的基础上添加控制点对其进行平差。

由于2种方式都无高精度外业像控点，因此无法有效评价其精度，后续将通过DOM成果检核其精度。完成加密后，基于2种结果分别进行DEM生产及DOM纠正，以其中1种为例。

4.2 DEM生成及编辑

DEM是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，主要是描述区域地貌形态的空间分布。本试验直接利用空三加密成果进行立体建模并生成DSM，需对其进行编辑形成DEM，如图5所示。

4.3 正射纠正

利用编辑好的DEM对单个模型进行数字微分纠正，生产正射影像，如图6所示。

4.4 影像匀色及镶嵌

1）匀色。在镶嵌前需对测区影像进行全局均衡匀色处理，消除影像间色差，实现多幅影像间的色彩平衡。利用INPHO软件可提供自动匀色处理，如图7所示。

2）镶嵌。对纠正后的单幅正射影像利用INPHO自带的智能镶嵌模式自动避开房屋建筑等明显地物。该模式可解决大部分镶嵌线穿越重要地物的问题，但仍有小部分需要人工干预编辑，如图8所示。

4.5 正射影像质量检查

4.5.1 辐射质量

影像的辐射质量主要从影像的亮度和色彩2方面进行检查，一般采用目视检查法，主要包括整幅图色调是否均匀，反差及亮度是否适中，影像拼接处色调是否一致，是否存在斑点、拉花痕迹等。本次试验结果如图9所示，其影像色彩均衡，饱和度适中、自然，无明显接边痕迹。

4.5.2 精度检查

利用相同位置的5个检查点对2种方式生产的DOM的平面位置精度进行了检查，见表6。

表6 DOM检查点精度对比表

通过表6可知，实验1的DOM成果精度高于实验2。同时目视检查2种成果与历史DLG套合效果可知，通过历史资料选点进行加密精度明显优于POS直接定向精度，如图10所示。

5 结 语

1）通过对试验区影像飞行质量的分析可知，利用天鹰-1000型四旋翼无人机获取的影像除飞行航高略超限外，其他均满足低空作业规范及正射影像生产的要求。

2）利用四旋翼无人机系统自动获取的POS信息可直接用于定向生产，其结果精度取决于POS精度。本次试验的DOM偏差最大为17.2 m，后续生产可综合考虑天气情况，稳定飞行质量，提升POS精度。

3）通过基于历史资料选取像控点进行DOM生产，可大幅提升结论2）的成果精度，因此建议当测区内有高精度历史资料时，可充分加以利用，从而提高DOM成果精度。

4）由于四旋翼无人机机动性能高，只需约10 m2的开阔空间即可起飞，无需辗转选择起飞场地，本次试验从航线计划到90张影像获取共计用时4 h。由于笔者第一次接触四旋翼无人机，在前期数据分析和反复测试中花了较长时间，但熟悉后该试验区用3 h即可形成DOM结果。

通过笔者对国内各测绘单位及四旋翼无人机飞行器的调研了解，四旋翼无人机作为一种新型无人机操控系统，目前在测绘、应急等方面的应用还很有限。而对其研究和分析后发现，四旋翼较固定翼相比，其机动性更高、更灵活、更安全，更适应于小区域的城市密集区及起飞条件不佳的环境，尤其是应急救援方面。在后续的工作中，我们应充分发挥其优势，将其与固定翼相结合形成多层级互补。

[1]聂博文，微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制, 2007，16(6)：113-117

[2]CH/Z 3005-2010 .低空数字航空摄影规范 [S].

[3]勾志阳.无人机航空摄影质量评价[J].影像技术, 2007(2)：49-52

[4]付建红.利用POS数据进行像点坐标粗差检测 [J].测绘科学,2011，36(5):165-166

[5]袁修孝.POS辅助光束法区域网平差[J].测绘学报, 2008，37(3)：342-348

[6]袁修孝.POS数据辅助的航空影像变化检测方法研究[J].武汉大学学报:信息科学版,2007，32(4)：283-285

[7]赵海涛.POS辅助UCD航空摄影测量直接地理定位精度分析[J].测绘信息与工程,2008，33(3)：45-46

[8]龙海奎. POS系统在空三加密中的应用与分析[J].城市勘测,2011(5)：78-80