基于微型无人机序列影像的快速数据获取

丁佩1，曹马2

(1. 邳州市规划局，江苏 邳州 221300； 2. 北京麦格天渱科技有限公司，北京 100000)

一、引言

随着城市建设快速发展和数字城市建设的迫切需求，无人机航测系统得到快速发展。卫星和传统航空遥感存在着分辨率低、测图周期长、无法满足小区域航测等弊端。微型无人机航测系统在小区域和飞行困难地区有明显优势，在三维数字城市建设、应急救灾、国土监测、城建执法、获取高分辨率正射影像图方面得到广泛应用，具有起降灵活、低空飞行、分辨率高、高效精准、实时性强等特点。随着无人机影像处理软件技术的发展，通过无人机序列影像获取正射影像图、线化地形图、三维模型等数据变得越来越快捷，特别是三维模型数据，是建立数字城市的基础数据，具有直观、逼真、形象的特点。利用无人机航拍和影像建模软件相结合可快速获取三维模型数据，成本低，速度快，是数字城市未来发展的趋势。

二、无人机(UAV)系统

1. UAV系统构成

无人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。飞控系统是无人机系统的“心脏”，主要实现对无人机的飞行前后的控制，主要包括任务设置、飞行中紧急情况控制、降落及数据传输等，决定无人机飞行的稳定性、数据传输的可靠性和精确度。数据链系统主要是传输遥控指令，以及无人机接收、发送信息等，以保证及时有效的反馈信息。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度，并在执行完任务后从天空安全回落到地面，目前主要有手抛式、弹射架、地面滑跑等起飞方式和伞降、机腹着陆、拦截网等回收方式。小型无人机主要采用弹射发射，而大型无人机则采用起落架或发射车进行发射。

2. Trimble UX5无人机

Trimble UX5无人机飞控系统性能良好，Trimble Access操作软件自动化程度高，便捷直观的界面让操作更加简洁高效，人工判断和干预指令少，缩短飞行前的准备时间。TrimbleUX5航测系统采用数码微单相机，在阴天或多云的天气条件下，通过调节光圈和曝光时间，也可以获取到色彩饱满、细节丰富的航摄相片，确保影像质量和摄影测量精度。Trimble Access软件可以完成任务设计、飞行计划、准备情况检查、飞行状态监测、紧急控制、飞行数据检查等功能。在野外操作人员只需按照软件自动给出的提示一步步进行相应操作即可，对UX5的许多检查工作由软件自动完成，而无须操作员的人工干预。

在飞行方面，Trimble UX5爬升角度大，降低了发射净空要求；在降落过程中，采用引擎反转技术，降低了降落所需的净空范围，可以在30 m×50 m的场地范围内完成着陆。TrimbleUX5的飞控系统设计，使得它可以在大多数天气条件下进行作业，出色完成航测任务。Trimble UX5从起飞到降落的整个过程，都由飞机按照预先设定的飞行计划自动完成，中间无须操作人员进行任何干预。这不仅可以保证操作人员的安全，而且将由于操作人员自身因素或操作不当而造成飞行任务失败的可能性降低了。在遇到突发事件或者紧急情况时，操作人员可以通过Trimble Access软件对飞机发出紧急控制指令，以避免危险的发生。如图1和表1所示。

图1

三、工程实例

徐连专客连接徐州和连云港，其中部分线路经过邳州市沿途村庄和乡镇，沿线建筑物较多，地形复杂。为获取铁路沿线的地形地物情况特别是居民地分布范围，为后期铁路沿线清障工作提供基础资料，邳州市规划系统有关单位用UX5无人机对铁路设计线路进行航拍，通过Inpho UASMaster软件进行正射影像图制作，为专线前期勘测工作提供参考资料。

表1　Trimble UX5数据获取性能参数

1. 划定飞行区域

徐连专线为东西走向，铁路沿线南北宽度50 m需要清障。考虑到无人机飞行偏差，故设计飞行区域为沿铁路走向的南北各150 m范围，每个飞行区域长度约5 km，共设计3个飞行区域。此次实例选定第一航线为例，面积1.5 km2。

当天风向为西偏南风，无人机需要逆风起降，故选择一开阔小麦地为起飞和降落地点。为获取高质量的影像，根据无人机性能参数和天气情况设计飞行参数，见表2。

表2　Trimble UX5飞行参数

2. DOM影像图制作

无人机起飞和降落状态良好，在规划时间和区域内安全着陆，获取有效航片552张，影像清晰度高，分辨率优于8 cm。经检查飞行质量和影像质量满足要求。

影像处理软件UASmaster具有DOM、DEM和DSM等航空摄影常规产品制作功能，DOM数据处理流程如图2所示。

第一个架次经过6 h处理完毕，生成的DOM影像数据清晰度高，获得部分影像图如图3所示。

四、结论

1) 无人机航测成本低、性价比好、机动性能好、使用方便。从项目的整体效果来看，影像质量和模型质量都达到预期效果，满足工程前期勘测需要；从影像获取到模型制作都实现了高度自动化、快速化和精准化，证明了基于无人机序列影像的三维建模技术可以用于工程的前期规划和勘测工作，可以大大提高工作效率。

2) 由于小型无人机体积小、重量轻，空中姿态变化大，而飞行高度与影像分辨率有直接关系，故优化飞行路线、选择适宜的飞行高度和影像重叠率可以获得高质量的正射影像图和三维模型。结合影像三维建模软件可以快速获取三维模型，代表未来测绘领域三维建模发展的方向，在数字城市建设中具有广阔的应用前景和明显的优势。

图2　DOM生产流程

图3

3) 内业处理时间短。本次第一个飞行架次共获取影像552张，利用影像处理软件处理需要6 h。快速处理航拍的海量数据，高速CPU、大内存的高性能服务器级别的计算机是提高数据处理效率的关键。

(本专栏由天宝测量部和本刊编辑部共同主办)

中海达·开启智时代