作者：孙 敏， 胡 争
    单位：北京大学遥感所 
              中南大学信息物理工程学院

    摘要：近年来小型无人机在国际摄影测量领域的应用日益广泛，本文综述了目前国内外的相关发展现状，提出利用多视几何理论与技术，对国产微型无人机平台上获取的超低空影像进行计算处理的方法，实验结果表明，采用多视几何理论与技术可以很好的解决航空以及地面近景摄影测量的数据处理。

    1 引言

    近年来小型无人机（Mini-UAV, MUAV）在摄影测量领域的应用越来越受到人们的关注，国际上目前已有大量的相关研究，在这些研究工作中，通常采用各种辅助手段，如GPS 实时定位与INS 实时导航，可以使小型无人机的摄影测量相关精度达到毫米级。小型无人机摄影测量系统具有极为广泛的应用前景，其成果应用包括野外区域性勘测，如地质调查、水文调查、考古勘测、旅游规划、区域性测量（如大坝、桥梁）、环境监测（如洪水、泥石流），甚至化学事故与安全任务，乃至军事应用等等。小型无人机的最大优点是价格低、飞行基本不受空管限制、使用便捷、性能灵活稳定，可以在任何行业加以推广。无人机的种类很多，按Eisenbeiss划分(Eisenbeiss, 2004)，MUAV一般具有如下特点：飞行高度一般在1km以下；飞行半径约10km；起飞重量在30-150Kg 之间；续航时间约2 小时。而对于载荷在5kg 以下的无人机可称之为微型无人机。

    中型或微型无人机系统由于其平台的不稳定性以及其数据获取的特殊性，对后续数据处理提出了与传统数字化摄影测量有所不同的要求。数字化摄影测量近十多年来得到飞速发展，但其理论仍未得到实质性的突破，国内以张祖勋为代表的学者，提出了广义点摄影测量与多基线摄影测量（张祖勋2005, 2007），另外也有人提出了多视摄影测量的方法(崔红霞，2008)，但基础理论仍然是基于摄影测量中的共线方程。即意味着摄影测量数据获取过程必须满足两个条件之一：像对之间的相对旋转角应不大于6 度或相机摄影时的外方位元素初始值为已知。对于中型或大型飞机平台，或采用卫星定位系统（如GPS）与动态陀螺仪（INS）辅助作业的小型无人机平台，可以轻易地获取满足数据处理的相机外方位初始值，因此在实际生产中，摄影测量理论并没有遇到应用的障碍。

    但由于小型无人机系统特别是微型无人机系统在没有GPS 与INS 辅助作业的情况下，一般不易得到稳定的拍摄结果，影像之间偏转较大，难以采用传统的摄影测量数据处理方法进行后续数据处理。本文拟介绍一种采用多视几何理论与技术进行微型无人机后续数据处理的方法。

    2 研究现状

    MUAV 系统的研发历史可以回溯到上世纪七十年代由Dieter Schluter 研发的直升机模型，他的直升机模型在1980 年即由Wester-Ebbinghaus 用于摄影测量(Eisenbeiss, 2004)，当时的schluter 航模的有效载荷是3Kg。近年来，由于廉价且较高性能的GPS 与INS 系统的快速发展，使得MUAV近年在摄影测量领域受到国际上学者们与商家的广泛关注。

    国际上有许多著名的商家研制生产小型无人机，如Yamaha 公司生产的Yamaha-Rmax具有双引擎，可续航21小时，最大起飞重量为95Kg；Schiebel公司生产的Camcopter S-100型无人机最大有效载荷为50Kg，最大续航6 小时(http://www.schiebel.net/)。另外国际上有许多公司和机构在研发小型无人机系统，如荷兰Geocopter 公司（http://geocopter.nl）；瑞士苏黎世Aeroscout GmbH 公司（http://www.aeroscout.ch/company.html）等等。

    国内近年来对小型无人机摄影测量系统的发展非常重视，如汶川地震后，中兵光电科技公司研制的型号为“华鹰”的无人机迅速得到了应用，并取得了出色的航拍成绩。该无人机起飞重量20Kg，翼展2.6m，续航时间约3 小时，属于微型无人机，装备有号称国内最先进的无人机遥感测绘系统，采用GPS自主导航，数据链传输可达30公里，价值约120 万。但该无人机后续数据处理方法与结果并未公开。总体上，中国在该方面的研究明显落后于国际先进水平（如图1 所示为一些典型的商业无人机系统）。

图 1. 几种著名的小型无人机从左到右依次为Schebel、Yamaha Rmax、Helicam以及国产华鹰品牌

    2004 年在伊斯坦布尔召开的国际摄影测量大会上，有三篇论文阐述了UAV摄影系统，其中包括中国测绘科学院的无人机系统（Nagai 2004，Schwarz 2004，Wang 2004）。而2008年7 月初在北京召开的ISPRS大会上，专门设立了一个名为UAV for Mapping的专题，据作者不完全统计至少有十多篇论文阐述了UAV 摄影测量系统。绝大多UAV 数摄影测量系统具有较大的载荷，可以同时搭载数码相机与激光扫描系统，并配备GPS 与INS 系统，因此可以较好地完成测量任务。其中典型的工作有：来自日本的Nagai 介绍了一种使用IMU 与GPS 组合导航，将数码相机与激光扫描仪一起搭载进行三维成图的摄影测量系统；来自瑞士的Eugster 介绍了一种小型无人机摄影测量系统，将其用于影像及地理信息的实时获取；来自德国的Grenzdörffer 介绍了一种微型无人机系统，其载荷不大于5kg，比小型无人机具有更低的成本和更高的灵活性。另外，国内林宗坚介绍了一种飞艇摄影测量系统。

    总体而言，为了获取良好的测绘成果，绝大多数MUAV系统采用了GPS与INS组合的导航方式，从而使得采用传统数字摄影测量的方法进行后续处理完全可行。但对于无GPS与INS 辅助的系统或微型无人机系统，必须考虑采用新的数据处理方法。下面作者介绍采用多视几何理论的无人机数据处理方法。

    3 多视几何理论

    多视几何（Multiple view geometry）理论在计算机科学领域近十多年来得到了长足的发展，国际上已有一些经典性的文献（如: Hartley 2002, Ma 2003）。同时，也有许多学者就多视几何理论引入到摄影测量领域的工作进行了深入研究，但目前仍没有相对成熟的工作。

    多视几何理论与传统摄影测量理论有一定的差异，同时各有优缺点（孙敏2007）。当像对间的旋转角较大时，选择多