免像控无人机在应急测绘中的应用

侯红科，周广华

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 引 言

2020年入汛以来，南方地区发生多轮强降雨天气，造成了多地严重洪涝灾害。在灾害面前，如何快速获取灾区影像等地理信息数据显得尤为重要。应急测绘保障的目的就是应对突发自然灾害、事故灾难、公共卫生事件等突发事件，快速有序地提供基础地理信息数据等测绘成果，为突发事件的预防、应对、处置和恢复全过程提供数据支撑[1]。

近年来，GNSS技术的发展，提高了无人机定位的精度和影像数据处理效率[2，3]。赵政、常越等人[4，5]通过利用自带的POS数据对倾斜影像进行影像水平纠正，自动获取同名像点，为多视影像平差提供可靠的连接点。范秀庆等人[6～8]进行了无人机免像控技术在地形图测量中的可行性研究，研究表明免像控无人机在连续卫星运行参考站(CORS系统)和惯性测量单元(IMU)的支持下，可直接获取无人机的空间位置参数和侧滚角等姿态参数，经过对系统误差的检校，得到高精度的初始化外方位元素，从而实现免像控作业。在灾害影响下，因交通暂时中断会导致救援队伍无法快速进入灾区。而无人机免像控技术对场地要求较低，能快速获取有效的地理信息数据。因此无人机技术在处置各种突发事件过程中具有独特的优势。

2 无人机航测系统介绍

本次演练采用四旋翼无人机航摄遥感系统(如图1所示)，主要包括飞行平台、五镜头倾斜摄影系统和飞行规划系统。

图1 无人机航摄遥感系统

2.1 飞行平台

无人机采用的是大疆经纬M300 RTK，它是行业首款具备六向定位避障与可视化飞行辅助界面的无人机，满足IP45防护等级，支持 55 min超长续航和最远15公里图传距离，具备较强的抗风能力。同时，它采用了双余度备份IMU和气压计，搭载了RTK的双天线系统，大大提高了定位精度和抗磁干扰能力。其主要参数如表1所示。

经纬M300 RTK主要参数 表1

2.2 五镜头倾斜摄影系统

搭载的赛尔五镜头倾斜摄影系统下视相机由5台高度集成的独立相机组成，其中1台相机竖直对地拍摄，另外4台相机以45°倾角同步获取地物侧面纹理。镜头焦距均为 35 mm，采用 23.5 mm×15.6 mm CMOS传感器，影像幅面 6 000 pix×4 000 pix。完全满足应急测绘和其他航测作业的要求。

2.3 飞行规划系统

地面遥控器自带无人机飞行规划和管理操作系统，它能实时监控无人机的飞行位置、航迹和姿态等数据。通过直观简易的交互设计，使用户轻松规划复杂的航线任务，实现全自动飞行作业。

3 无人机影像处理方法

无人机影像处理过程主要包括影像预处理、POS数据辅助空中三角测量、影像密集匹配、三维TIN网格构建及实景三维模型生产，其流程如图2所示。

图2 无人机影像数据处理流程

3.1 POS数据辅助空中三角测量

无人机通过搭载五镜头高分辨率相机，从不同角度获取了地面影像，采集了地面物体完整的信息。同时获取曝光点坐标数据(POS数据)、相机参数以及相机之间的相对位置关系。将基于CORS系统获得的高精度POS数据作为初始值，可建立地摄测量坐标系与像平面坐标系之间的共线方程[9，10]，如下所示：

(1)

式中：(x，y)表示像点的像平面坐标；(x0，y0，f)表示影像的内方位元素，在相机生产出来后基本确定，可视为已知值；(X，Y，Z)表示地物点对应于地摄测量坐标系的空间坐标；(XS，YS，ZS)表示航摄中心对应于地摄测量坐标系的空间坐标；(ai，bi，ci)表示旋转矩阵的方向余弦。将共线方程经过多次求导变换和迭代运算[11]，可以计算出影像的外方位元素和连接点的三维坐标。

3.2 多视影像密集匹配

多视影像的密集匹配是寻找连接点来构网的过程，同时可以消除影像数据中的冗余数据[12]。通过低通滤波等技术构建影像金字塔，采用ASIFT等基于平移、旋转、尺度不变特征的算法，进行多视影像的密集匹配，重建出周围的空间面片，生成大量高密度点云。

3.3 正射影像生产和三维模型构建

对原始影像匀光匀色处理后，叠加测区DEM，通过数字微分纠正方法可生成单像幅正射影像，然后对所有图幅进行拼接，得到整个测区正射影像图。对高密度点云进行抽稀，构建出三维不规则TIN模型，形成地面景物白膜，最后选择最佳的影像纹理进行映射，构建出实景三维模型[13]。

4 应急演练实例

4.1 演练概况

本次应急保障演练由广州市规划和自然资源局组织开展，采取“单盲”方式，不提前通知演练地点，通过突发性来贴近实战的演练。演练区域位于广州市白云区太和镇兴太三路口附近。该区域内多山，且附近有居民生活区，在暴雨来临时，存在山体滑坡等潜在危险。现场情况如图3所示。

图3 应急演练区位置及现场情况

4.2 组织实施

到达演练现场后，项目组成员立即进行实地踏勘。同时使用大疆精灵4无人机对现场进行视频拍摄和高度探测，全方位熟悉现场情况。踏勘完毕后，选取安全区域起飞大疆经纬M300 RTK，开始多角度低空影像数据的采集。外业数据采集工作完成后，根据拍摄的影像数据进行测区范围内正射影像图及倾斜摄影三维模型的生产工作。工作流程如图4所示。

图4 演练组织实施流程

4.3 质量控制

根据现场实地情况，设置航高150 m，航向重叠度75%，旁向重叠度为75%。航线覆盖超出测区边界线不少于两条基线，旁向覆盖超出摄影边界线大于像幅的50%。从而保证了航摄中不出现相对和绝对漏洞，且地面分辨率优于 3 cm。

4.4 成果展示

利用Pix4Dmapper对影像进行快速处理，在 30 min左右生成了正射影像图，如图5所示。DOM覆盖了灾害检测区域，无破洞和拉花等情况发生，质量合格，能够满足指挥中心对全局影像的浏览。

图5 演练区域正射影像图

90 min后，生产出了演练区域的实景三维模型，如图6所示。三维模型更直观地反映了现场状况，有助于指挥中心深入了解灾害区域情况。

图6 实景三维模型

4.5 全过程总结

无人机的正射影像图和三维模型结果及时上交至指挥中心，宣告了演练结束。本次应急测绘保障演练的全过程时间点如表2所示：

测绘应急保障演练全过程时间点 表2

5 结 论

此次演练活动采取“单盲”方式，未提前通知演练地点，通过突发性来贴近实战的演练。从接到应急任务，到测绘成果的生成，共花费3个小时，符合应急测绘“时间就是生命”的原则。免像控无人机技术作业效率高，受周围环境限制较小。通过这次应急演练，证明了免像控无人机技术在自然灾害、事故灾难、公共卫生事件等应急保障中有较大的应用价值。