宋曉紅
(河南省測繪地理信息局信息中心,河南 鄭州 450008)
大比例尺無人機(jī)測繪是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。 它可以更加機(jī)動、快速地進(jìn)行應(yīng)急測繪和測繪成果的實時更新,相比數(shù)字化測圖能有效降低勞動強(qiáng)度,提高效率,在一定程度上降低成本;相比于大飛機(jī)航測,更加靈活,使小范圍航測變成可能,成本更低;相對于固定翼無人機(jī)而言,多旋翼無人機(jī)操作簡單,安全系數(shù)高,且?guī)в行⌒驮婆_,更有利于大比例尺測圖。 多旋翼無人機(jī)航測具有先天優(yōu)勢,如果在環(huán)境(風(fēng)力、晴空)良好的情況下,精度相對會提高很多,可以用來嘗試1:500 地形圖的測繪。但是,多旋翼無人機(jī)航測畢竟還處于發(fā)展階段,由于硬件以及不規(guī)范作業(yè)的影響,精度基礎(chǔ)比大飛機(jī)航測要差,影響因素更多。下面就影響多旋翼無人機(jī)大比例尺測圖精度的幾個因素和解決方法進(jìn)行簡單介紹。
多旋翼無人機(jī)大比例尺測圖精度影響最大的因素是其搭載的航攝相機(jī)。因受多旋翼無人機(jī)載重量的限制,大多搭載的是重量較輕的非量測型相機(jī), 常用的有佳能5Dmark2、 佳能5Dmark3、索尼A7R 等。 非量測型相機(jī)的畸變差可以分為系統(tǒng)畸變差和隨機(jī)畸變差,其中,光學(xué)成像系統(tǒng)引起的畸變和CCD 縱橫方向排列的不垂直性引起的畸變差呈現(xiàn)一定的系統(tǒng)性, 表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差;而CCD 組件引起的電學(xué)畸變以及空間排列不均勻有較強(qiáng)的隨機(jī)性,表現(xiàn)為隨機(jī)誤差。 非量測型相機(jī)相對專業(yè)量測相機(jī)而言,由其鏡頭和CCD 陣列引起的光學(xué)畸變較大,其徑向畸變差和偏心畸變差對后期成圖精度影響較大, 如果不進(jìn)行影像畸變糾正,成圖精度不能滿足大比例尺測圖要求。光學(xué)畸變差是影響像點坐標(biāo)質(zhì)量的一項重要誤差, 是影響多旋翼無人機(jī)大比例尺測圖精度的主要因素, 其航拍影像必須經(jīng)過處理糾正后才能應(yīng)用。
多旋翼無人機(jī)航攝時的飛行方法及曝光方式也是影響大比例尺測圖精度的因素之一。 不論是固定翼無人機(jī)還是多旋翼無人機(jī),由于其尺寸較小,抗風(fēng)能力較弱,在航飛的時候,很難保證攝影航片的航偏角和傾角滿足航測測圖規(guī)范的要求。 固定翼無人機(jī)搭載有簡單的GPS 和POS,但其精度較低,航攝的時候很難保證曝光點的準(zhǔn)確位置,并且大都沒有搭載云臺,更難保證攝影時的姿態(tài)滿足要求。 多旋翼無人機(jī)也一樣,飛行中很難保證曝光點的準(zhǔn)確位置,雖然搭載有云臺,但在其向前飛行時,其傾角較大,云臺改正效果不理想,且不穩(wěn)定,拍出來的片子邊緣模糊,影響航測成圖精度。
由于無人機(jī)航空影像像幅小,航片之間的重疊度大,基線長度較短,與常規(guī)航片比較,在同等面積情況下,無人機(jī)像片無論是航線數(shù)還是像片總數(shù),都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)航片。 依據(jù)原航空攝影測量規(guī)范布設(shè)野外像片控制點,則外業(yè)工作量成倍增加。 滿足測圖精度要求的像控點布設(shè)方案, 是利用無人機(jī)航攝影像測繪地形圖的關(guān)鍵。
相對于有人機(jī)而言,無人機(jī)的小像幅,重疊率高,造成了相片數(shù)多, 后期處理內(nèi)外業(yè)工作量大。 處理方法直接影響成圖精度,一方面外業(yè)控制量翻倍增長,另一方面內(nèi)業(yè)處理也相應(yīng)地增加,采集調(diào)用的模型數(shù)也成倍增長。 此外,無人機(jī)相片存在航偏角較大的問題,作業(yè)員在立體觀測時會產(chǎn)生頭暈、惡心等反應(yīng)。相關(guān)單位做過實驗, 當(dāng)觀測航偏角在18-25 度的大旋偏角立體模型時,作業(yè)員可能會產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感,甚至嘔吐,不能長時間持續(xù)作業(yè),導(dǎo)致作業(yè)人員數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn),影響成圖精度。
非量測數(shù)碼相機(jī)不是專門為量測目的設(shè)計的, 其畸變性能與量測攝影機(jī)的畸變性能不完全相同。 常規(guī)的攝影測量方法采用建立數(shù)學(xué)畸變模型實現(xiàn)對畸變差的自檢校改正, 但這種方法忽略了隨機(jī)因素引起的數(shù)碼相機(jī)的畸變差。 而建立面積不同的準(zhǔn)二維控制場,測定各類成像系統(tǒng)每個像素的總畸變,建立該影像專用的數(shù)字畸變模型, 以對各類成像系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各種畸變進(jìn)行總體補償,是一種不區(qū)分系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,對各種畸變一起改正的方法。 采用數(shù)字畸變模型糾正畸變差的本質(zhì)是糾正像素點的總體畸變, 而不區(qū)分畸變的來源是系統(tǒng)誤差還是隨機(jī)誤差。 采用數(shù)學(xué)模型糾正畸變差則認(rèn)為相機(jī)產(chǎn)生的畸變是由系統(tǒng)誤差引起的。 數(shù)字畸變模型的畸變差糾正精度與數(shù)學(xué)模型的畸變差糾正精度接近,但存在微小的偏差。 一般無人機(jī)的數(shù)碼相機(jī)的畸變差主要是由系統(tǒng)誤差引起, 只在邊緣點處存在很小的隨機(jī)畸變, 用常規(guī)的數(shù)學(xué)畸變模型進(jìn)行畸變糾正就能滿足要求。 目前市場上已有比較成熟的原始航片畸變糾正軟件,如航天遠(yuǎn)景的FlightMatrix,四維空間數(shù)碼的PixelGrid,都帶有糾正航片畸變的功能。
針對無人機(jī)航攝存在的缺點, 結(jié)合多旋翼無人機(jī)可以懸停的特點,在設(shè)置飛行線路時可以嚴(yán)格按照航攝航線要求來布設(shè)。同時可以降低多旋翼無人機(jī)的飛行速度, 用以提高曝光點坐標(biāo)精度。 同時在曝光點設(shè)置4 秒左右的懸停時間,多旋翼無人機(jī)在這幾秒當(dāng)中調(diào)整飛機(jī)的姿態(tài), 使之能夠最大限度地滿足相機(jī)的參數(shù)調(diào)整, 直到完全滿足曝光條件才進(jìn)行拍攝, 相當(dāng)于靜止拍攝。 這樣即可克服固定翼飛機(jī)運動飛行中拍攝姿態(tài)不穩(wěn)、邊緣發(fā)虛的缺點,最大限度地提高拍攝質(zhì)量,從而克服由此帶來的精度損失問題。
多旋翼無人機(jī)航空影像像幅較小, 航片之間的重疊度也比較大,基線長度較短。 為提高成圖精度,須提高像控點的分布密度、增加數(shù)量、提高聯(lián)測精度。因此,多旋翼無人機(jī)像片控制點宜采用全野外布點的方式, 也可用提前布標(biāo)靶的方式提高像控點的精度。
無論是固定翼還是多旋翼無人機(jī)航測成圖, 其隨機(jī)配備的后期數(shù)據(jù)處理軟件大多都是用來獲取DOM 和DEM 的,如PHOTOMOD、PixelGrid-UAV、PIX4D、INPHO 等, 基本上很少能夠進(jìn)行測圖。 大比例尺測圖的軟件基本上還是JX4、VZ、航天遠(yuǎn)景這些常用的攝影測量工作站。 多旋翼無人機(jī)原始影像經(jīng)畸變糾正處理后,即可在攝影測量工作站進(jìn)行空三加密,生成立體像對,在模型上進(jìn)行測圖。
影響多旋翼無人機(jī)大比例尺成圖精度的原因有多個方面,本文就其主要的4個方面的原因進(jìn)行簡單探討, 也給出了改進(jìn)提高旋翼無人機(jī)大比例尺成圖精度的方法。不足之處,請廣大讀者批評指正。
[1]馮文灝.關(guān)于近景攝影機(jī)檢校的幾個問題[J].測繪科學(xué),2000(10):1-3.
[2]孫杰,林宗堅,崔紅霞.無人機(jī)低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)[J].遙感信息,2003(1):49-50.
[3]劉志銘,方勇,等.非量測數(shù)碼相機(jī)在砼管片變形檢測中的應(yīng)用[J].測繪通報,2001(6):40-41.
[4]王建明.利用無人機(jī)航空像片進(jìn)行大比例尺測圖的探討[A].中國測繪學(xué)會2010年學(xué)術(shù)年會論文集[C].2010.