无人飞行器低空遥感与数字城市

无人飞行器低空遥感与数字城市三维地理空间基础框架建设,一、引言为什么需要三维在很长的历史时期，在只能用纸质介质描绘地图的年代，人们创造了地图投影学，能把三维空间的地理要素表达成二维图形的形式，这无疑是科学的理论与方法，在今后仍然会继续发挥其广泛的作用。现代城市建设都在三维空间上形成复杂结构，仅仅利用二维地图和二维的正射影像，往往不足以表达现代城市的复杂三维结构。,伴随着计算机三维可视化的技术的进步，城市三维立体景观影像便应运而生，并成为三维GIS的一个重要研究方向。它以逼真的三维图像为城市地理信息系统建设提供了一种比原先二维形式更为丰富的应用基底。它能显示现代城市精细到每栋房子、每层楼的外观与内在属性信息。可以在模型上进行三维空间量算，可以用虚拟现实的方法进行三维空间的规划。它的使用能使数字城市建设在信息化的意义上有质的飞跃，真正起到带动电子政务、电子商务和城市化进程的作用。,.为什么需要无人飞行器首先是天气问题。卫星和普通飞机的光学遥感遇到阴云天气都不能获取影像，使用雷达遥感虽能在阴云天气得到影像，但雷达影像的逼真度不如光学遥感，这也是民航飞机至今还不能用雷达视觉进行云雾天降落的原因。因此，需要利用无人飞行器实现低空之下的光学影像获取。其次是高分辨率多面摄像的机动性问题。卫星遥感和普通航空摄影都难以回避城市高层建筑遮挡问题。用无人飞行器低空多角度摄影测量则可以得到用以构建三维模型所需的建筑物多面高分辨率纹理影像。无人飞行器的低空低速可控性大大超过普通航摄飞机。当然，除了空中摄像之外还可以采用地面近景摄像，但是，由于诸多的障碍遮挡和效率问题，地面摄像只能是一种局部的辅助手段。,云覆盖下的高分辨率遥感影像（IKONOS，厦门）,.总体技术流程用无人飞行器低空遥感获取高分辨率多角度数字影像，进行单像三维量测，然后建立城市三维图象模型的整个技术流程如图1,二、无人飞行器低空遥感影像获取无人飞行器指可以作为低空遥感平台的无人驾驶双翼飞机、无人驾驶直升机和无人驾驶飞艇等。整套设备除飞行器本体外还包括飞行控制系统、GPS定位系统、遥感摄像系统、信号传输系统、地面监控系统。图2所示为中国测绘科学研究院研制的低空遥感无人机和无人飞艇。,无人飞行器有三种飞行控制方式：第一是遥控飞行，即地面操作人员通过无线电信号操控飞行器的飞行路线和姿态；第二，程控飞行，即按照飞行器计算机上预先安装的程序控制飞行路线与姿态；第三，自主飞行，在特殊情况下，飞行器按固定的方式在空中盘旋飞行，以等待地面命令。飞行器上装置的GPS能实时接收GPS信号、确定遥感器的空中位置，用以支持程控设备按计划航线飞行，也可以通过遥测信号传送到地面，显示在计算机屏幕地图上，供地面人员进行导航操作。飞行器的传感平台有三轴稳定功能，平台上装有电视摄像头和数码相机。电视摄像头获取的图像通过遥测信道传输到地面屏幕显示，用于摄影控制操作。数码相机所获取的数字影像存在磁卡中，待飞行器降落时取出转输到计算机中。数码相机在飞行前经过实验室检校，图3所示为目前用于无人飞行器上的两种数码相机。,为满足构建三维景观模型的需要，数码相机被倾斜安置，使主光轴偏离铅垂线30。-40。角，并且设计多角度摄影的航线，使每栋建筑物的屋顶及东西南北墙面都能获取完整的影像（如图4）,三、单像三维量测传统的航空摄影测量是采取构建立体像对的方法实现三维测量。但是，像图4那样的多面影像是构不成立体像对的。因此，我们专门研制了一套利用单像进行建筑物三维量测的算法及软件。图5示出其几何原理。一般建筑物中成正交的三组棱线在相片上交汇于三个合点，因此可以根据三个合点位置反求相片外方位角元素，结合比例因子，即可解求建筑物各轮廓点的相对坐标。,四、三维建模与可视化通过单像量测方法确定建筑物各轮廓点相对坐标后，参照多面影像即可构建出建筑物的三维模型，用透视几何方法制成可视三维图，并将影像中的纹理“剪贴”上去，就形成单栋建筑物的三维图。安置到现有二维地形图上，就成为具有大地坐标的三维图。再将非建筑物影像纠正填充。即完成整个城市的三维景观影像图（如图5）。这种图可以在三维可视化软件操纵下进行三维浏览，并可进行三维量算和空间分析。,五、实验与结论用上述技术方法，已完成山东省威海市建成区60平方公里的无人飞行器低空遥感和三维地