張 軍，李永鵬，申 靜，吳永春，楊軍義

（1 甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025；2 甘肅省測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741025；3 甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，甘肅 天水 741025；4 江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 南昌 330002）

近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸成熟，帶動(dòng)攝影測(cè)量取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量飛速發(fā)展取得了突破性成就，對(duì)測(cè)繪地理信息行業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，該技術(shù)今后的發(fā)展方向在哪里也是眾多學(xué)者爭(zhēng)相研究的重要課題。目前無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展依賴(lài)無(wú)人機(jī)、傳感器、GNSS 技術(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)解算技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)的都是圍繞如何快速準(zhǔn)確的獲取影像數(shù)據(jù)，并高效便捷地進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)解算來(lái)展開(kāi)的。然而通過(guò)分析攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展歷程可見(jiàn)，攝影測(cè)量技術(shù)始終都分內(nèi)外業(yè)兩個(gè)過(guò)程，如何打破傳統(tǒng)技術(shù)理念，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化，使攝影測(cè)量更加方便、快捷、智能化，無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量就是發(fā)展方向。

1 無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量解決方案

無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的發(fā)展目標(biāo)是將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)解算過(guò)程高度集成，通過(guò)內(nèi)外業(yè)一體化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取測(cè)繪成果的目的，這就需要從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并解決一些技術(shù)瓶頸問(wèn)題。從數(shù)據(jù)處理的角度分析，實(shí)時(shí)攝影測(cè)量可以有3 種方案。一是將數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)嵌到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，此方案的優(yōu)勢(shì)在于影像數(shù)據(jù)不需要傳輸，只傳輸壓縮后的成果數(shù)據(jù)，因成果數(shù)據(jù)較小，所以數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)較小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上，要求無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行飛控的同時(shí)還需承擔(dān)數(shù)據(jù)解算的功能，在此情況下無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)就會(huì)過(guò)大，基于目前的技術(shù)手段此種方案不易實(shí)現(xiàn)；二是基于地面站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理獲取產(chǎn)品，此方案設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)人機(jī)的圖傳系統(tǒng)要求很高，同時(shí)從數(shù)據(jù)解算的角度來(lái)分析，解算方法要進(jìn)行優(yōu)化，傳統(tǒng)的航攝數(shù)據(jù)整體處理技術(shù)不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)解算的要求，需要從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的角度重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)解算算法，且此方案對(duì)地面站數(shù)據(jù)處理設(shè)備的要求較高，以上兩點(diǎn)問(wèn)題從技術(shù)層面來(lái)分析都可實(shí)現(xiàn)，小范圍信息獲取對(duì)設(shè)備要求不高的情況下，這種方案是可行的；三是基于“云”計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方案，基于“云”計(jì)算進(jìn)行影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)解算的速度會(huì)大大增加，可以處理海量數(shù)據(jù)，存在的問(wèn)題是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠛芨?，但?G 技術(shù)成熟的情況下，此方法無(wú)疑是最佳方案。

2 無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)分析基于地面站或“云”計(jì)算的實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)是可行的，在進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程中，需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量對(duì)傳感器的要求

航攝影像在進(jìn)行數(shù)據(jù)解算時(shí)需要進(jìn)行影像畸變誤差的改正，這需要耗費(fèi)數(shù)據(jù)解算的時(shí)間成本。影像畸變誤差是由傳感器自身成像特點(diǎn)及加工工藝等因素引起，傳統(tǒng)航攝相機(jī)采用球面鏡片，球面鏡片由于像差的存在，導(dǎo)致攝影光線(xiàn)不能很好地匯聚，影像模糊度較大、影像畸變較大且存在邊緣色差，這些問(wèn)題會(huì)降低數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度，同時(shí)增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間復(fù)雜度。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)繪的要求，較小數(shù)據(jù)解算速度是核心問(wèn)題之一，因此，減少影像畸變?cè)黾拥慕馑銜r(shí)間成本，是實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展的要求。從目前航攝傳感器發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，配備ED（超低色散能力）非球面鏡片的傳感器能較好地適應(yīng)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的基本要求。

2.2 基于5G 網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)攝影測(cè)量

一般無(wú)人機(jī)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與地面站進(jìn)行通信，通過(guò)Wi-Fi 或藍(lán)牙作為通訊手段，通訊內(nèi)容包含三個(gè)方面：圖傳、數(shù)傳、遙控，其中圖傳對(duì)無(wú)人機(jī)通信方式要求最高。以Wi-Fi 為例，雖然圖傳速度達(dá)到了1080p（分辨率1920×1080），能夠滿(mǎn)足小像幅影像圖傳基本要求（達(dá)不到全畫(huà)幅影像實(shí)時(shí)圖傳要求），但是通信質(zhì)量、速度和距離受環(huán)境影響很大，一般在300～500m 的視距范圍以?xún)?nèi)（特定條件限制下，才可以達(dá)到1km 以上）才能保障正常通信[1]，這些問(wèn)題都嚴(yán)重制約實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施應(yīng)用。如果用網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)，基于4G LTE 蜂窩通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋到位的情況下，理論上通信不受距離限制，但圖傳能力只能達(dá)到720p（分辨率1280×720）左右，可見(jiàn)基于4G 的網(wǎng)絡(luò)無(wú)人機(jī)也滿(mǎn)足不了實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的通信要求。

5G 技術(shù)的產(chǎn)生，使實(shí)時(shí)攝影測(cè)量成為可能，首先從通訊距離看來(lái)，網(wǎng)絡(luò)無(wú)人機(jī)可以不受距離限制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，其次5G 技術(shù)的理論帶寬可達(dá)20Gbps 以上，已建實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)也普遍達(dá)到了1Gbps 的通信速率，一般無(wú)人機(jī)影像不會(huì)超過(guò)1Gbps[2]?？梢?jiàn)基于5G 的網(wǎng)絡(luò)無(wú)人機(jī)可以實(shí)時(shí)與地面站或者“云”端數(shù)據(jù)解算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速通訊，為實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的實(shí)現(xiàn)提供了通訊保障。

2.3 基于“云”計(jì)算的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理關(guān)鍵技術(shù)

1）技術(shù)方案。從數(shù)據(jù)解算的角度分析，實(shí)時(shí)攝影測(cè)量需要解決兩方面的問(wèn)題，一是從環(huán)境的角度出發(fā)提高數(shù)據(jù)解算速度，二是改善數(shù)據(jù)解算算法。實(shí)時(shí)攝影測(cè)量，需要超強(qiáng)設(shè)備的數(shù)據(jù)解算能力，依靠“云”計(jì)算，代替?zhèn)鹘y(tǒng)工作站數(shù)據(jù)解算的模式，完全滿(mǎn)足數(shù)據(jù)解算在速度方面的要求，是實(shí)時(shí)攝影測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)的又一保障。如圖1 所示，基于5G 及“云”計(jì)算的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的技術(shù)方案。

圖1 實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)方案

2）增量式空三加密。攝影測(cè)量數(shù)據(jù)解算包含空三、DSM 及DOM 的生成，從這兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)解算方法進(jìn)行改進(jìn)，使其滿(mǎn)足實(shí)時(shí)攝影測(cè)量要求。傳統(tǒng)空三采用控制點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)平差來(lái)獲取高精度加密點(diǎn)云成果，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)空三就需要改變傳統(tǒng)空三解算的思路。第一，實(shí)時(shí)攝影測(cè)量要求逐影像快速匹配加密點(diǎn)，在影像數(shù)據(jù)不多的前提下，基于網(wǎng)絡(luò)“云”計(jì)算，影像匹配算法效率影響很小，可選擇成熟穩(wěn)定、匹配精度高的SIFT 算法；第二，參考同步定位和地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)的思想，基于空間前方交會(huì)及光束法平差(bundle adjustment，BA)提出增量式光束法平差的加密方案。如圖2 所示增量式光束法平差方案。

圖2 增量式光束法平差方案

SLAM 是在沒(méi)有預(yù)知地圖信息的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征提取、數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)狀態(tài)檢查、數(shù)據(jù)更新定位自身和對(duì)周?chē)h(huán)境建圖的方法[3]，增量式空三加密就是借鑒SLAM 的思路，利用基于共線(xiàn)方程的空間前方交會(huì)法及BA 相結(jié)合，得到漸變式加密成果，其中共線(xiàn)方程是前方交會(huì)及BA 的核心方程式，如公式（1）共線(xiàn)方程。增量式空三加密基本流程如下：一是以高精度POS 獲取的外方位元素進(jìn)行單模型定向，前方交會(huì)計(jì)算加密點(diǎn)坐標(biāo)；二是以加密點(diǎn)坐標(biāo)為初始值通過(guò)BA 進(jìn)行加密點(diǎn)優(yōu)化；三是加密點(diǎn)逐相對(duì)拼接。增量式空三加密前提是無(wú)人機(jī)需要配備高精度定位定姿設(shè)備，在影像采集的同時(shí)獲取影像高精度外方位元素，外方位元素已知的前提下才可以直接利用基于共線(xiàn)條件方程的空間前方交會(huì)法獲取地面點(diǎn)坐標(biāo)。

公式（1）中包含像點(diǎn)坐標(biāo)x、y，地面點(diǎn)坐標(biāo)XA、YA、ZA，影像主距f 及外方位元素XS、YS、ZS、Φ、ω、K（a1、a2、a3、b1.......）。

3）基于Delaunay 三角網(wǎng)動(dòng)態(tài)更新算法構(gòu)建動(dòng)態(tài)DSM。實(shí)時(shí)攝影測(cè)量需要通過(guò)動(dòng)態(tài)空三加密成果進(jìn)行三角網(wǎng) (Delaunay Triangulation Irregular Network,D-TIN)的動(dòng)態(tài)更新，制定三角網(wǎng)頂點(diǎn)動(dòng)態(tài)插入、調(diào)整和刪除策略，才可以及時(shí)內(nèi)插出DSM 并糾正影像獲取DOM 成果，達(dá)到實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的目的。從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了D-TIN 更新算法的研究，為了增加D-TIN 的現(xiàn)勢(shì)性，90 年代初國(guó)內(nèi)外學(xué)者又展開(kāi)了大量有關(guān)DTIN 動(dòng)態(tài)更新算法的研究[4]。動(dòng)態(tài)D-TIN 算法要通過(guò)實(shí)時(shí)空三加密點(diǎn)對(duì)D-TIN 進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，后內(nèi)插出DSM，這個(gè)過(guò)程中D-TIN 是末端實(shí)時(shí)更新，所以要等D-TIN 模型趨于穩(wěn)定后再內(nèi)插DSM，由于滯后速度很短，對(duì)實(shí)時(shí)DSM 生成是沒(méi)有影響的[5-7]。動(dòng)態(tài)D-TIN 構(gòu)建核心是點(diǎn)及約束線(xiàn)的動(dòng)態(tài)更新，點(diǎn)動(dòng)態(tài)更新要點(diǎn)包括點(diǎn)的定位、點(diǎn)的位置判斷、點(diǎn)的刪除，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行約束線(xiàn)的重構(gòu)。D-TIN 生成算法研究相對(duì)成熟,動(dòng)態(tài)更新算法研究越來(lái)越受到人們的重視，基于現(xiàn)代信息獲取實(shí)時(shí)性的要求，D-TIN 局部快速更新已成為了眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前由于“云”計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)D-TIN 更新算法是滿(mǎn)足實(shí)時(shí)攝影測(cè)量速度要求的[8-9]。

4）實(shí)時(shí)攝影測(cè)量產(chǎn)品輸出形式。實(shí)時(shí)攝影測(cè)量概念的提出最大的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性要求很高，時(shí)效性對(duì)各類(lèi)應(yīng)急應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。從產(chǎn)品形式分析，攝影測(cè)量基礎(chǔ)產(chǎn)品包含DSM、DOM 及實(shí)景三維模型，由于建模需要消耗較多的時(shí)間，所以實(shí)景三維模型目前暫不建議作為實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的產(chǎn)品。DSM 及DOM 是基于高程及平面的獨(dú)立產(chǎn)品，為了方便實(shí)時(shí)應(yīng)用，將兩者融合構(gòu)建影像高程同步模型(OESM)，基于OESM測(cè)圖可獲得與立體測(cè)圖一致的精度，測(cè)圖精度可靠[10]，可以方便用戶(hù)通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取、分析、應(yīng)用。

3 結(jié)論

在結(jié)合分析當(dāng)前無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，提出實(shí)時(shí)攝影測(cè)量各技術(shù)環(huán)節(jié)在設(shè)備、算法、產(chǎn)品等方面的建設(shè)意見(jiàn)，并基于SLAM 的思想提出增量式空三加密等新的理論方法來(lái)解決實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，推動(dòng)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)較快發(fā)展，為各類(lèi)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取提供新的技術(shù)方案。