无人机遥感影像获取及后续处理探讨

收稿日期:2008-02-23;修订日期:2008-07-07

作者简介:洪宇(1981-),女,硕士研究生,主要从事地理信息系统、航空摄影测量等方面研究。E -m ail:hongyuw h@ 。

无人机遥感影像获取及后续处理探讨

洪 宇1,2,龚建华2,胡社荣1,黄明祥2

(1.中国矿业大学(北京),北京 100083;

2.中国科学院遥感应用研究所,北京 100083)

摘要:作为卫星遥感和航空遥感的有益补充,无人机航空遥感系统获取遥感影像具有多种特性。通过4次无人机航拍试验,根据所获取的遥感影像和飞行辅助数据,对航拍数据进行拼接。从航拍的多个方面对飞行试验以及实验成果进行了质量评价。并提出了无人机应用于航拍时存在的问题及一些改进方法。

关 键 词:无人机;遥感;试验;影像;质量评价

中图分类号:P231 文献标志码:A 文章编号:1004-0323(2008)04-0462-05

1 引 言

无人机遥感是遥感的发展趋势之一,无人机遥

感系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点,

是遥感数据获取的重要工具。随着技术的成熟和民

用领域的需求,无人机已经逐渐渗透到民用领域的

各个行业。近年来出现的性能各异的无人机,广泛

应用于军用战场侦察和监视任务以及民用研究。按

用途可分为民用通信中继无人机、气象探测无人机、

灾害监测无人机、农药喷洒无人机、地质勘测无人

机、地图测绘无人机、交通管制无人机和边境控制无

人机等[4]。

尽管已经应用于我国民用领域的各个行业,无

人机在民用特别是遥感领域的应用仍然处于起步阶

段,目前并没有形成一个成熟的产业。

作为遥感平台,无人机遥感系统更可显示其独

特的优势:它成本低廉,能够低速、低空飞行,有利于

遥感作业;并且机动灵活,能快速响应拍摄任务;可

以承担高风险或高科技的飞行任务。其缺点是对载

荷的体积重量有严格限制,对载荷的抗震性能也有

较高要求。费用低廉使得许多中小型用户也有能力

支付,扩大了遥感的应用范围和用户群,具有广阔的

应用前景。

由于无人机携带的为非量测型相机,其本身与

量测型相机在拍摄方式和后期处理上都与传统的航空摄影测量有所不同[7]。针对这些特殊性,本文就无人机采集影像的方式、拼接方法及其精度做了探讨,阐述了无人机遥感系统采集高分辨率图像和高精度定位数据以及后续影像处理的可行性与可靠性,分析无人机携带非量测型相机遥感作业以及后期数据处理的可行性,意在探讨适宜于民用的无人机遥感及后续影像处理的方法及可行性。2 无人机遥感系统的硬件平台构成研究和试验所采用的是按照气象无人机的标准自行研发的无人机。该无人机遥感平台由3个子模块构成:无人机平台、相机子系统、空中遥感控制子系统[8]。该无人机的性能如下:可在高度150~2500m 进行飞行,巡航速度为90km /h,续航3h,有效载荷为2kg,导航精度50m 。无人机遥感系统由空中部分、地面部分和数据后处理部分组成,如图1所示。其中空中部分包括遥感传感器子系统、遥感空中控制子系统、无人机平台。地面部分包括航迹规划子系统、无人机地面控制子系统以及数据接收显示子系统。遥感空中子系统的主要功能:规划航线并上传到飞机上的控制器;飞行中监控飞机状态,在能可靠传递数据的时候可以改变部分控制参数。地面部分主要功能为设计和规划航道轨迹,无人机的实时控制与飞行姿态数据的实时接收和遥感影像的显示。

第23卷 第4期2008年8月遥 感 技 术 与 应 用REM OT E SENSING TECH NOLOGY AND APPL ICAT ION Vol.23 N o.4

A ug.2008

图1无人机遥感系统图Fig.1U A V remo te sensing system

无人机影像采集作业工作流程为:根据遥感任务的要求对待拍摄地区进行航迹规划,在地面控制子系统中将规划好航线并载入到遥感空中控制子系统。无人机地面控制子系统按照规划的航线控制无人机的飞行,遥感空中控制子系统则按照预设的航线和拍摄方式控制遥感传感器进行拍摄;遥感传感器子系统将拍摄的数据进行存储,无人机平台则利用无线传输通道将飞行数据传输到地面的控制子系统;地面工作人员可以在地面监测无人机的飞行航线,必要的情况下,可以根据接收的数据更改本次飞行的计划,比如可以马上进行部分地区的补拍;拍摄结束后可以自动切入手控飞行,等待降落。

3无人机遥感飞行试验

采用无人机按照作业流程,于2006年11月到2007年10月间,针对不同的地形地貌,进行多次调试和试验,获取了航空博物馆、官厅水库库区、宁波象山县泗洲头镇的数千张无人机影像数据,并对遥感影像进行了分析和后期处理。

第一次试验主要为了验证无人机遥感系统机上成像能力。第二次则按照遥感作业的要求进行了航迹规划,记录方式都为全程拍摄。验证了航迹规划、遥感空中控制子系统以及数据获取、数据传输以及影像存储等功能。本文飞行试验中,第三次试验改正了前两次试验中存在的一些问题,取得了较好的结果。共获取宁波象山县泗洲头镇的无人机影像数据424张。其飞行纪录为:飞行速度90km/h,航高800m,航向重叠80%,旁向重叠60%,设计航道8条,覆盖地面面积3000@1600m2,单片覆盖约720@520m2,飞机装有稳定平台。所以下文都以宁波象山县泗洲头镇的飞行数据为例进行说明分析。

4无人机影像质量评价

无人机拍摄所得影像要想在整体上拼成一张大图,受到多方面的影响,如飞机的姿态角、镜头的光学畸变、拼接的认为误差、控制点的精度等等。我们将影响分为由无人机飞行引起的变形和影像后期处理方法中引入的一些变形这两个方面来探讨。

4.1飞行质量问题及其分析

4.1.1航片重叠率

按照航空遥感的一般要求,拍摄时的航向重叠率为60%,最小不得小于53%;旁向重叠率为30%,最小不得小于15%[5]。本次飞行试验考虑到天气等因素以及飞机性能对航拍图片拼接的影响,设计了航向重叠率为80%,旁向重叠率为60%。以象山县泗洲头镇区域为例,根据拍摄时刻的记录信息和半自动寻找特征点的办法实施镶嵌后得到的遥感缩略图如图2(见图版×),可以看出,整个拍摄区域没有出现漏拍的现象,而且图像也满足航片重叠率的要求。

4.1.2航线弯曲度

航带的弯曲度会影响到航向重叠度、旁向重叠度的一致性,如果弯曲太大,则可能会产生航摄漏洞,甚至影响摄影测量的作业。因此,航带弯曲度一般规定不得超过3%,而此次拍摄的遥感影像,航带的直线性良好。试验时对比航博飞行图像和象山县泗洲头飞行图像中我们可以看出,在航博飞行时候,受风的干扰小,无人机在工作区的飞行航迹和预设航迹符合的很好,泗洲头镇区域的实际飞行航点记

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