低空遥感平台摄影测量技术的探讨

■顾 慧，周 亦，马腾飞，赵凤辉

■1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130012;2.北京中色测绘院有限公司，北京 100012;3.有色金属矿产地质调查中心测绘院北京 100012;4.谱尼测试科技股份有限公司，北京 100080

1 低空摄影测量技术简介

低空摄影测量技术是指航空高度不超过千米，并以小型飞机、无人机或飞艇等作为平台的摄影测量技术。该技术的显著优点为获取成果速度快、周期短、成本低、可靠性较强。尤其是在最近几年里，无人机和无人飞艇获得了快速的发展和完善，这为该技术的发展和应用提供了强有力的支撑。以无人飞艇为遥感平台的低空摄影系统为例，它是以数字遥感设备作为任务载荷，并以相关数据信息快速处理系统为基础支持的专用化遥感系统，此类系统不但安全性高、操作简单方便，而且对场地条件的要求较低，设备便于安装，可在低空和低速条件下稳定飞行，并针对地面建筑进行悬停航拍，这极大程度地确保了遥感影像的高分辨率，是目前摄影测量中最为实用的系统平台之一。我国的一些研究机构，在该领域中进行了深入的研究，并取得了显著的成果，相继开发出了多种型号的无人飞艇等设备。

低空摄影测量中，比较重要的技术有以下几种:

其一，遥感技术。大量的实践证明，数码相机拍摄到的影像要比模拟相机拍摄到的影像更加清晰，而且前者的种类较多，价格相对比较便宜，并且不需要进行扫描便可以获得数字影像，大幅度缩短了成果的获取周期，这使其被广泛应用于航空摄影测量当中。

其二，姿态控制技术。想要获取到更加清晰的影像就必须克服气流、飞行器等因素对数码相机的影响，换言之，需要有一个相对比较稳定的平台，特别是对于飞艇和无人机等抗风能力弱、飞行稳定性差的飞行器，必须加装三轴稳定平台，以此来确保数码相机的姿态稳定。

其三，影像处理技术。为确保影像的后处理工作能够顺利完整，需要影像实时传输与快速拼接软件。同时，飞行器获取到的航片存在倾角大、重叠度不均匀等问题，所以必须采用针对性较强的影像后处理技术。

2 低空遥感平台摄影测量系统的设计

无人飞艇低空遥感平台摄影测量系统主要是由两个部分组成，一部分是系统硬件，另一部分是系统软件。

2.1 系统硬件

该系统的硬件由空中飞艇和地面监控两个部分组成，空中飞艇部分的主要设备包括气囊、吊舱、发动机、GPS陀螺仪、自动驾驶设备、增稳平台、数码相机和摄影机;地面监控部分具体是由以下设备组成:便携式计算机、手控设备、视频终端以及电源，系统的整体结构如图1所示。

GPS是飞艇的导航装置，在自动驾驶的状态下，飞艇会根据预先设置好的航行线路进行低空飞行，并以一定的距离和间隔时间进行拍照，借此来获取地面的数码影像;飞艇的起落主要是由地面监控部分负责，同时还对飞艇的自动驾驶进行监控。

2.2 系统软件

该系统的软件主要由以下几个部分组成:飞艇航行线路规划软件、飞艇飞行监控软件、平差解算软件、正射影像制作与编辑软件。除上述软件之外，系统还包含以下功能模块:工程管理、全自动匹配、影像预处理、控制点量测、DEM生成等等。

图1 系统的硬件结构示意图

3 低空遥感平台摄影测量系统的应用实例

所选测量区域的地面高程约为50m左右，该测区内分布有大量的低山，山体的整体高度全部在170m以下，整个测区的范围长度为8000m，成图面积约为60 km2。下面运用上文中设计的低空遥感平台摄影测量系统对该测区进行测量。

3.1 飞艇航行路线规划

目前，数码相机在测量领域内获得了广泛应用，这使得大重叠度的航摄测量成为主流趋势，为摄影测量自动化目标的实现提供了可能。在本次测量中，决定对所测区域采用大重叠度航行路线设计，航行方向的重叠度设计为80%，旁向的重叠度设计为60%，地面的分辨率为0.2m。为了获得更加清晰的航摄影像，在数码相机上配备了14mm焦距镜头，相对飞行高度控制在350m左右，每张影像的摄影范围为600×900m。该测区的常规航行线路为22条，构架航行线路为4条，飞艇实际飞行的线路为26条，总计获取影像1804张。

3.2 选点及量测

为有效提高测量效率，在对飞艇航行线路进行规划的过程中，需要合理选取控制点并进行量测。低空遥感摄影测量技术最为显著的特点之一是分辨率高，为此，可以直接选取影像上较为明显的地物点作为地面控制点，如路口交叉点、房屋拐角等等。依据我国现行的航摄测量作业规范标准的要求，并结合实际成图需要，决定在该测区的设计航带内每8条基线选取一个控制点，共计选取140个地面控制点，实地采用GPS－RTK测量155控制点。

3.3 工程管理与航摄影像预处理

飞艇根据预先规划设计好的航行线路自动飞行，并对相关影像进行拍摄后，需要先对测区内的相关数据进行整理，主要包括数码相机参数、影像数据信息以及工程参数等等。其中数码相机的参数可以通过三维检验校正获得，在数据预处理的过程中，主要是对航空拍摄到的影像进行主点纠偏和畸变纠正。由于实际拍摄中，受角度不同等因素的影响，使得在同一个区域内的相邻影像当中存在色差，为确保测物内正射影像的色调一致，必须进行匀色处理，具体过程如下:从该测区拍摄到的影像当中选择出一张具有代表性的影像，然后借助图像处理软件，对其色调进行调节，并以此作为基准影像，随后，利用匀色模块将基准影像和测区内的其它影像全部载入到软件当中，并进行匀色处理。处理效果如图2所示。

3.4 加密处理

由于飞艇在低空飞行的过程中，受到风力作用，会对摄影的效果造成一定程度的影响，虽然飞艇的自动驾驶系统能够对

图2 测区影像匀色处理后的效果

其飞行姿态进行实时调节，数码相机的稳定云台也可以确保相机处于相对固定的状态，但飞艇在航线上行进时，其本身的姿态会发生不断地变化，若是遇到强气流，则会导致飞艇出现剧烈的变化，这样很难确保数码相机拍照时保持稳定的姿态，这样一来，造成了获得的影像姿态角超出测量规范标准的角度要求，从而导致匹配难度较大。为了解决该问题，决定在特征点匹配的过程中引入SIFT算子，并将其匹配结果作为初始值，然后利用最小二乘进行精确匹配，以此来确保匹配结果的稳定性和有效性。

3.5 平差结算与影像校正

首先，采用光束法将拍摄到的每张影像的外方位元素计算出来，然后再对大量影像点进行密集匹配，并将这些影像点的大地坐标计算出来，经过滤波处理之后，通过地面离散点规则网格化生成DEM;在对拍摄到的影像进行方位元素解算时，由于各种因素的影响，难免会出现偏差，这样一来便会导致所生成的测区DEM出现偏差。因此可以采用系统中的正射纠偏模块进行分块校正，由此便可以获得整个测量区域范围的正射影像。

4 结论

综上所述，低空遥感平台摄影测量系统以其自身灵活、便捷、成本低等优点，在测绘领域内获得了广泛应用。虽然本文提出的系统也存在一些不足之处，但通过相应的措施可以有效弥补系统中的不足，通过对系统应用实例进行研究后发现，该系统能够用于区域范围的正射影像获取，并且所得的影像可以满足使用要求，这充分证明了该系统具有一定的推广使用价值。在未来一段时期内，应当不断加大对低空摄影测量技术的研究力度，并在现有的基础上进行不断改进和完善，使其能够更好地为测绘地理信息工作服务。

［1］王小平，唐剑，郑团结.微型无人数字航空摄影系统的设计与实践［J］.测绘技术装备.2010(6).

［2］陈华刚，王昌翰.低空数字摄影系统在山地区域制作1∶500数字线划图的试验研究［J］.测绘与空间地理信息.2011(8).

［3］张博，王大华.一种对流层软式飞艇设计体积估算方法的商榷［J］.航空计算技术.2012(8).

［4］张小红，李星星，郭斐.GPS单频精密单点定位软件实现与精度分析［J］.武汉大学学报.2009(8).