基于微型無(wú)人機(jī)序列影像的快速數(shù)據(jù)獲取

丁佩1，曹馬2

(1. 邳州市規(guī)劃局，江蘇 邳州 221300； 2. 北京麥格天渱科技有限公司，北京 100000)

一、引言

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展和數(shù)字城市建設(shè)的迫切需求，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)得到快速發(fā)展。衛(wèi)星和傳統(tǒng)航空遙感存在著分辨率低、測(cè)圖周期長(zhǎng)、無(wú)法滿足小區(qū)域航測(cè)等弊端。微型無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)有明顯優(yōu)勢(shì)，在三維數(shù)字城市建設(shè)、應(yīng)急救災(zāi)、國(guó)土監(jiān)測(cè)、城建執(zhí)法、獲取高分辨率正射影像圖方面得到廣泛應(yīng)用，具有起降靈活、低空飛行、分辨率高、高效精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著無(wú)人機(jī)影像處理軟件技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)無(wú)人機(jī)序列影像獲取正射影像圖、線化地形圖、三維模型等數(shù)據(jù)變得越來(lái)越快捷，特別是三維模型數(shù)據(jù)，是建立數(shù)字城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有直觀、逼真、形象的特點(diǎn)。利用無(wú)人機(jī)航拍和影像建模軟件相結(jié)合可快速獲取三維模型數(shù)據(jù)，成本低，速度快，是數(shù)字城市未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

二、無(wú)人機(jī)(UAV)系統(tǒng)

1. UAV系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。飛控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的“心臟”，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行前后的控制，主要包括任務(wù)設(shè)置、飛行中緊急情況控制、降落及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，決定無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途_度。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要是傳輸遙控指令，以及無(wú)人機(jī)接收、發(fā)送信息等，以保證及時(shí)有效的反饋信息。發(fā)射回收系統(tǒng)保證無(wú)人機(jī)順利升空以達(dá)到安全的高度，并在執(zhí)行完任務(wù)后從天空安全回落到地面，目前主要有手拋式、彈射架、地面滑跑等起飛方式和傘降、機(jī)腹著陸、攔截網(wǎng)等回收方式。小型無(wú)人機(jī)主要采用彈射發(fā)射，而大型無(wú)人機(jī)則采用起落架或發(fā)射車進(jìn)行發(fā)射。

2. Trimble UX5無(wú)人機(jī)

Trimble UX5無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)性能良好，Trimble Access操作軟件自動(dòng)化程度高，便捷直觀的界面讓操作更加簡(jiǎn)潔高效，人工判斷和干預(yù)指令少，縮短飛行前的準(zhǔn)備時(shí)間。TrimbleUX5航測(cè)系統(tǒng)采用數(shù)碼微單相機(jī)，在陰天或多云的天氣條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)光圈和曝光時(shí)間，也可以獲取到色彩飽滿、細(xì)節(jié)豐富的航攝相片，確保影像質(zhì)量和攝影測(cè)量精度。Trimble Access軟件可以完成任務(wù)設(shè)計(jì)、飛行計(jì)劃、準(zhǔn)備情況檢查、飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、緊急控制、飛行數(shù)據(jù)檢查等功能。在野外操作人員只需按照軟件自動(dòng)給出的提示一步步進(jìn)行相應(yīng)操作即可，對(duì)UX5的許多檢查工作由軟件自動(dòng)完成，而無(wú)須操作員的人工干預(yù)。

在飛行方面，Trimble UX5爬升角度大，降低了發(fā)射凈空要求；在降落過(guò)程中，采用引擎反轉(zhuǎn)技術(shù)，降低了降落所需的凈空范圍，可以在30 m×50 m的場(chǎng)地范圍內(nèi)完成著陸。TrimbleUX5的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得它可以在大多數(shù)天氣條件下進(jìn)行作業(yè)，出色完成航測(cè)任務(wù)。Trimble UX5從起飛到降落的整個(gè)過(guò)程，都由飛機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的飛行計(jì)劃自動(dòng)完成，中間無(wú)須操作人員進(jìn)行任何干預(yù)。這不僅可以保證操作人員的安全，而且將由于操作人員自身因素或操作不當(dāng)而造成飛行任務(wù)失敗的可能性降低了。在遇到突發(fā)事件或者緊急情況時(shí)，操作人員可以通過(guò)Trimble Access軟件對(duì)飛機(jī)發(fā)出緊急控制指令，以避免危險(xiǎn)的發(fā)生。如圖1和表1所示。

圖1

三、工程實(shí)例

徐連?？瓦B接徐州和連云港，其中部分線路經(jīng)過(guò)邳州市沿途村莊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，沿線建筑物較多，地形復(fù)雜。為獲取鐵路沿線的地形地物情況特別是居民地分布范圍，為后期鐵路沿線清障工作提供基礎(chǔ)資料，邳州市規(guī)劃系統(tǒng)有關(guān)單位用UX5無(wú)人機(jī)對(duì)鐵路設(shè)計(jì)線路進(jìn)行航拍，通過(guò)Inpho UASMaster軟件進(jìn)行正射影像圖制作，為專線前期勘測(cè)工作提供參考資料。

表1　Trimble UX5數(shù)據(jù)獲取性能參數(shù)

1. 劃定飛行區(qū)域

徐連專線為東西走向，鐵路沿線南北寬度50 m需要清障?？紤]到無(wú)人機(jī)飛行偏差，故設(shè)計(jì)飛行區(qū)域?yàn)檠罔F路走向的南北各150 m范圍，每個(gè)飛行區(qū)域長(zhǎng)度約5 km，共設(shè)計(jì)3個(gè)飛行區(qū)域。此次實(shí)例選定第一航線為例，面積1.5 km2。

當(dāng)天風(fēng)向?yàn)槲髌巷L(fēng)，無(wú)人機(jī)需要逆風(fēng)起降，故選擇一開闊小麥地為起飛和降落地點(diǎn)。為獲取高質(zhì)量的影像，根據(jù)無(wú)人機(jī)性能參數(shù)和天氣情況設(shè)計(jì)飛行參數(shù)，見表2。

表2　Trimble UX5飛行參數(shù)

2. DOM影像圖制作

無(wú)人機(jī)起飛和降落狀態(tài)良好，在規(guī)劃時(shí)間和區(qū)域內(nèi)安全著陸，獲取有效航片552張，影像清晰度高，分辨率優(yōu)于8 cm。經(jīng)檢查飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量滿足要求。

影像處理軟件UASmaster具有DOM、DEM和DSM等航空攝影常規(guī)產(chǎn)品制作功能，DOM數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

第一個(gè)架次經(jīng)過(guò)6 h處理完畢，生成的DOM影像數(shù)據(jù)清晰度高，獲得部分影像圖如圖3所示。

四、結(jié)論

1) 無(wú)人機(jī)航測(cè)成本低、性價(jià)比好、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便。從項(xiàng)目的整體效果來(lái)看，影像質(zhì)量和模型質(zhì)量都達(dá)到預(yù)期效果，滿足工程前期勘測(cè)需要；從影像獲取到模型制作都實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化、快速化和精準(zhǔn)化，證明了基于無(wú)人機(jī)序列影像的三維建模技術(shù)可以用于工程的前期規(guī)劃和勘測(cè)工作，可以大大提高工作效率。

2) 由于小型無(wú)人機(jī)體積小、重量輕，空中姿態(tài)變化大，而飛行高度與影像分辨率有直接關(guān)系，故優(yōu)化飛行路線、選擇適宜的飛行高度和影像重疊率可以獲得高質(zhì)量的正射影像圖和三維模型。結(jié)合影像三維建模軟件可以快速獲取三維模型，代表未來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域三維建模發(fā)展的方向，在數(shù)字城市建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖2　DOM生產(chǎn)流程

圖3

3) 內(nèi)業(yè)處理時(shí)間短。本次第一個(gè)飛行架次共獲取影像552張，利用影像處理軟件處理需要6 h?？焖偬幚砗脚牡暮Ａ繑?shù)據(jù)，高速CPU、大內(nèi)存的高性能服務(wù)器級(jí)別的計(jì)算機(jī)是提高數(shù)據(jù)處理效率的關(guān)鍵。

(本專欄由天寶測(cè)量部和本刊編輯部共同主辦)

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