在《中华人民共和国海岛保护法》颁布实施后，全国对海岛管理和开发提出了新的要求和挑战。当前无人机在航空摄影测量和遥感领域中的应用逐渐增多，并已在海岛礁测绘中应用研究^[1-3]。国外学者也尝试使用无人机对海岛进行地质调查^{[4, 5]}，对海岸带进行形态变化检测，对生物入侵进行监测等。而无人机遥感避免了重访周期的问题，影像分辨率较高，平台在云层下方，能把云层影响降到最低。同时还具有性价比高，方便携带运输和机动灵活的特点，也规避了传统载人航空遥感飞行人员的安全风险，适用于海岛测绘。

由于无居民海岛分布零散，采用航空摄影或固定翼无人机的大幅面阵或线阵航空数码相机进行大区域航空摄影测量，但难以解决像主点落水和航线规划难的问题，而对小区域测量时由于海岛地形复杂的特点，固定翼无人机又难以在无居民海岛上找到符合起降条件的场地。利用普通无人直升机具有垂直起降、定点悬停和中慢速巡航飞行等固定翼飞机不具备的飞行特性，适合海岛多重复、定点、多尺度和高分辨率影像的需求^[6]。同时，随着CORS技术在海岛礁控制测量的应用^{[7, 8]}，其控制精度也可以达到摄影测量DOM(digital orthophoto map)生产的精度要求。本文从研究搭载非量测数码相机的无人直升机平台在无居民海岛测绘中的应用出发，对数据处理和生产过程的问题进行了分析探讨，为无人机航摄在海岛管理和开发的测绘应用积累经验。

1 数据获取 1.1 无居民海岛概况

破灶屿和小破灶屿均为无居民海岛，位于漳州市龙海市港尾镇卓岐村东北侧海域。破灶屿面积0.063 km²，海拔最高35.0 m。小破灶屿面积0.014 8 km²，海拔最高24.1 m。均由流纹质灰熔岩、流纹岩、凝灰岩夹粉砂岩组成，地表长杂草，岛上部相思树丛发育。海岸为陡峭的基岩海岸，水下礁盘发育，礁滩间有沙滩^[8]。

1.2 非量测相机检校

量测相机专为测量设计，其内方位元素已知，具有较小的镜头畸变，精度较高，但其制作工艺较高，价格昂贵，仪器笨重，进行航拍时不方便，影响无人机飞行航时和距离。非量测相机由于价格低廉、方便携带、荷载较小等特点较为适合无人机航拍作业，但其内方位元素未知，厂家未予提供，相机镜头存在较大的光学畸变，对结果精度造成较大影响，无法直接用于航空拍摄等应用中，需要进行严格校正，确定相机的内方位元素和光学畸变参数^[9]。

数码相机检校的内容包括：像主点、主距、径向畸变系数和偏心畸变系数。非量测相机的检校场地需要标准点三维坐标精度高，稳定不偏移，场内具有足够的光线条件减少影像噪声点的影响^[10]。DLT(direct linear transformation)检校法直接建立像点坐标(标志点图像上坐标)与物方坐标(标志点三维坐标)之间的线性关系，省去了转换为像片坐标的中间步骤，且无需设定相机的内外方位元素的初始值，检校方便迅速，适合于非量测相机的检校^[11]。

本文利用共线方程得出DLT模型公式，利用DLT模型公式计算出非量测数码相机的内方位元素以及镜头畸变参数。在控制场内分别在5个摄站对室内高精度三维控制场拍摄5张影像，如图 1所示，然后按DLT解法解算相机参数。

1.3 航摄规划

无人机对无居民海岛进行航空摄影前，需要进行航摄规划，主要包括航摄季节与时间选择、飞行参数的确定、航线敷设，航摄飞行的基本参数有航高、重叠度、曝光时间。复杂环境下的航迹规划可以用到蚁群算法等算法，本实验仅涉及两个较小的海岛，因此使用基本的人工规划航迹。航高由相机焦距、成图比例尺和相机像元大小确定。

在无人海岛实施无人机摄影时，根据气象条件制定合适的航摄时间。同时考虑光照条件和潮汐条件：中午12点前后，海水面会有较强的反射，曝光条件太强，不宜摄影；摄影时间尽量选在低潮时刻，可以获取滩涂区域的影像信息。

1.4 像控点布设与量测

无居民海岛的控制点布设与量测和传统的像控点测量相比，既有相同点，也有其特殊之处。像控点目标布设应清晰易辨，易于判别与量测。无居民海岛控制点的特殊之处在于高程起伏较小和常年相对固定。根据《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004-2010)对像控点的精度要求，在无居民海岛正射影像外业像控点布设时，控制点的平面位置中误差不大于0.05 m，高程中误差应不大于0.1 m^[12]。

由于无人机航片设置重叠度较大，基线较短，且航线多数不规则，因此在布设外业控制点时应结合航片的实际情况进行适当调整。两个海岛地形比较陡峭，植被茂密，不易选取明显地物特征点作为像控点。作业时根据海岛地形特点尽量使像控点分布均匀，铺设在海岛岸线范围较大的干出滩区域和海岛顶部植被稀疏空旷区域，以方便后续的内业数据处理。人工布设像控点(1 m×1 m)，共布设8个控制点，在飞机进入摄区前铺设完毕。海岛上布设的像控点利用福建省连续运行卫星定位服务系统(FJCORS)进行测量，FJCORS当前已覆盖福建省95%建成区^[19]，并在近海岛礁都有一定的定位精度。在像控点测量之前，先设置由海岛周边的已知区域控制网CORS解算结果求取的坐标转换参数，然后测量已知的控制点进行坐标误差核算。

2 数据处理

航空摄影测量的关键在于正确且快速地恢复摄影时的空间方位^[13]，即影像的外方位元素。采用的Agisoft Photoscan软件是一款基于影像自动生成高质量三维模型的软件，可根据多视图三维重建技术，通过导入具有一定重叠度的数码影像，实现高质量的正射影像及三维模型重建，整个工作流程包括影像定向和三维模型重建过程都是自动完成。

无人机影像处理流程为先自动拼接再纠正镶嵌，即先将获取的影像数据导入Photoscan软件，然后根据已有的POS数据及控制点数据，依据空中三角测量基本原理，按照重叠相片之间的同名点匹配运算，建立每张相片的稀疏点云模型并进行位置标记，自动完成内定向、相对定向及绝对定向，点云提取和立体建模完成后，通过重建区域稀疏点云对相片进行纠正，然后进行重建网格并编辑地理参数和纹理特征，导出正射影像并构建DSM(digital surface model)，如图 2所示。

3 实验结果与精度分析 3.1 相机标定

本文采用高精度室内三维控制场对非量测相机进行检校。非量测相机型号为SONY α7R型数码相机，其主要参数为：APS-C规格数码单反；福伦达35 mm定焦镜头；有效像素为3 640万；传感器尺寸为35.9 mm×24.0 mm。高精度三维控制场经过严密构造，标志点的三维坐标通过高精度仪器量测得到。根据实际作业情况，在航空摄影时相机一直处于调焦无穷远，不会发生摄影时调焦的情况。在检校时，数码相机需要调焦到无穷远，已使用绝缘胶布缠绕固定镜头，镜头调焦拨片调至手动模式。相机检校结果如表 1所示。其中鉴定精度最大0.195像素，最大误差0.251像素，小于1/3像素，可以达到精度要求。

3.2 航摄规划

其航摄方案设计航高为150 m，GSD(地面分辨率)为3.3 cm，航向重叠率为80%，旁向重叠率为50%，行间距为95 m，曝光间隔为25 ms。航线敷设要考虑海岛的形状特点、岸线走向、空间分布等因素，根据破灶屿和小破灶屿海岛形状，采用东西向设置航带，整个区域共设置6条航带，航飞1个架次，获得原始照片数据145张。航带及相片位置及图像重叠图如图 3所示。

3.3 海岛正射影像图和三维表面模型

破灶屿和小破灶屿的正射影像图和三维表面模型如图 4所示。图 4(a)为DOM图像；图 4(b)为DSM图像。因海岛表面植被茂盛，DSM包含了植被高度。从中可见正射影像图完整清晰，纹理丰富，色彩饱和美观，无明显拉伸变形。三维表面模型地形变化符合真实情况，过渡自然。

3.4 精度分析

利用机载POS数据信息进行定向的数据成果，根据CORS测得的海岛像控点进行几何校正，生成的正射影像精度如表 2所示，纠正精度最大为3.04 cm，平均为1.99 cm，满足海岛地区遥感影像成图比例尺1: 500的精度要求。生成的海岛表面模型(DSM)的点云密度达到109.8点/m²，精度为每点0.095 m，满足生产需要。

4 结束语

本文从无居民海岛的开发与保护目的出发，以复杂地形和植被茂密的无居民海岛为研究对象，在外业航空摄影时采用大重叠度的航向及旁向重叠方式，以无人直升机为平台，使用经过高精度室内三位控制场标定的非量测型相机，获取海岛的影像数据。利用福建省CORS系统测量像控点对无人机航测影像进行几何校正和检验，经过应用软件的技术处理，得到无居民海岛的DOM及DSM等数据成果。DOM纠正精度在3.04 cm以内，DSM平均精度为9.5 cm，满足海岛地区的精度要求。本次研究实验为无居民海岛中地形图、数字正射影像图的航空摄影测量工作提供了丰富的理论基础和实践经验，验证了无人机摄影测量与遥感技术在无居民海岛上的成功应用。同时商业化的无人机图像后处理软件的功能具有较高的适应性，从一个侧面也反映了当前我国无人机应用水平的不断发展和广泛应用。

由于海岛植被茂密，无法获得海岛植被的树高、冠幅等特征参数，故摄影测量只能得出海岛的DSM数据而非海岛DEM数据，这需要在以后的工作中开展进一步的研究。