北京望神州科技有限公司 宗秀影

LPS在無人機數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

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一、引 言

無人機 (unmanned aerial vehicle,UAV)遙感是航空遙感的一種重要方式,并且日益成為一種空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段,具有續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、機動靈活等優(yōu)點,是衛(wèi)星遙感與有人機航空遙感的有力補充。近年來,無人機在軍事和民用方面都得到了快速的發(fā)展,引起了諸多科研單位的重視,無人機遙感成為航空遙感發(fā)展的一種趨勢。

但是,由于無人機飛行環(huán)境的復(fù)雜性以及飛行的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致了無人機數(shù)據(jù)的 POS信息不夠精確、數(shù)據(jù)量大等缺點,所以如何處理無人機數(shù)據(jù)成為亟待解決的問題。

本文提出了利用 LPS軟件來處理無人機數(shù)據(jù),得到正射校正鑲嵌結(jié)果,為無人機數(shù)據(jù)處理提供了新的解決方案,滿足了無人機在測繪方面 (如正射影像、鑲嵌影像、DTM等系列測繪產(chǎn)品)以及災(zāi)害應(yīng)急快速處理方面 (如鑲嵌影像)的需要。

二、LPS概述

徠卡遙感及攝影測量系統(tǒng) (Leica photogrammetry suite,LPS)是 ERDAS公司推出的數(shù)字攝影測量及遙感處理軟件系列。LPS為遙感影像處理及攝影測量提供了高精度、高效能的生產(chǎn)工具。它可以處理各種航天 (最常用的衛(wèi)星影像如 World View1/2、Quick-Buid、IKONOS、SPOT 5、ALOS、OrbView、FOMOSAT、KOMPSAT、RapidEye、GeoEye、Landsat等 )及航空 (如掃描航片、框幅式數(shù)字影像、ADS40/80、ALS60等數(shù)字影像)的各類傳感器影像定向及空三加密,處理各種數(shù)字影像格式,(如黑 /白、彩色、多光譜及高光譜等各類數(shù)字影像)。LPS的應(yīng)用還包括矢量數(shù)據(jù)采集、數(shù)字地模生成、正射影像鑲嵌及遙感處理,它是第一套集攝影測量與遙感在同一工作平臺的軟件系列。LPS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

本文在無人機數(shù)據(jù)處理中利用的 LPS模塊包括 LPS Core和 ATE(或者 eATE)。

三、LPS處理無人機數(shù)據(jù)流程

1.數(shù)據(jù)描述

本文所用的測試數(shù)據(jù)是由 Canon EOS 5D Mark II數(shù)碼相機拍攝的 473幅無人機數(shù)據(jù)。此外,還利用了焦距長 (f0為 24 mm)、像元分辨率 (CCD尺寸為 6.4 um)、航高以及 POS數(shù)據(jù)等信息。

圖 1 LPS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2.數(shù)據(jù)處理流程

LPS處理無人機數(shù)據(jù)操作流程如圖 2所示。

圖 2 LPS處理無人機數(shù)據(jù)操作流程

(1)創(chuàng)建工程和數(shù)據(jù)導(dǎo)入

1)創(chuàng)建工程。LPS處理數(shù)據(jù)首先需要創(chuàng)建測區(qū)文件,即 Block文件。選擇相應(yīng)的幾何校正模型。本文選擇的模型是數(shù)碼相機 (digital camera)。并且定義測區(qū)的屬性,包括投影坐標(biāo)系統(tǒng)、航高等。

2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。工程文件創(chuàng)建好之后,導(dǎo)入影像、相機參數(shù) (像主點坐標(biāo)、焦距長、CCD尺寸等)及POS數(shù)據(jù)。

(2)自動生成同名點

根據(jù)初始的 POS數(shù)據(jù),自動生成同名點。并根據(jù)需要,采用可修改生成同名點的策略,使產(chǎn)生的同名點均勻地分布在整個測區(qū)。

(3)空三計算

根據(jù)生成的大量同名點及初始的內(nèi)外方位信息,進行空三運算,空三結(jié)果可以通過 RMSE來體現(xiàn),并可以預(yù)覽每個同名點的坐標(biāo)和精度,內(nèi)附詳細的精度報告。通過預(yù)覽每個點的 RMSE,剔除誤差較大的同名點,重新進行空三計算,直至滿足要求。接受空三結(jié)果,更新內(nèi)外方位信息。

(4)生成 DTM

LPS提取數(shù)字地面模型 (digital terrian model,DTM)是全自動處理過程,內(nèi)附詳細的 DTM提取報告。用戶可以根據(jù)需要選擇生成單個 DTM,或者直接生成鑲嵌的DTM。其精度適合于制作正射影像。若需要得到高精度的 DTM,仍需要一些人工編輯(比如通過 TE模塊)以及很好的質(zhì)量控制。

(5)影像正射校正

效率一直是遙感影像處理用戶最關(guān)心的問題之一,ERDAS通過多個處理或者多個計算機實現(xiàn)并行計算技術(shù)和分布式處理,使得用戶在數(shù)據(jù)處理過程中可以充分利用硬件的投資,提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率。LPS在影像重采樣的過程中支持批處理的并行計算和分布式處理。

(6)正射校正結(jié)果鑲嵌

LPS 2010的鑲嵌充分利用操作系統(tǒng)資源,使得鑲嵌的速度提高了 10倍以上,并能支持海量影像的輸入和輸出,自動生成拼接線并可編輯,多種勻色算法可供選擇。

3.結(jié) 果

由一名操作人員利用一臺普通工作站處理 473幅無人機數(shù)據(jù),經(jīng)過 26 h的處理,其中自動運算時間為 22 h,最后空三的精度可以達到 3個像素。本文處理數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖 3所示。

4.LPS處理無人機數(shù)據(jù)的建議

1)所提供的無人機數(shù)據(jù),如果存在部分影像比較模糊,這可能會對后續(xù)的影像連接點匹配造成一定影響,所以須去除影像質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)。

圖 3 LPS處理無人機數(shù)據(jù)鑲嵌結(jié)果

2)提供的無人機數(shù)據(jù)包括部分航線拐角數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)對應(yīng)的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)信息不夠準(zhǔn)確,因此在實際作業(yè)中,須將拐角數(shù)據(jù)去除,以保證整個測區(qū)空三計算的精度。

3)提供的無人機數(shù)據(jù)中,去除 POS信息 (特別是角度信息)突變的數(shù)據(jù),這樣才能保證連接點匹配的精度和最終結(jié)果的精度。

4)確保像片與其 POS數(shù)據(jù)完全對應(yīng),避免可能由于 POS錄入,導(dǎo)致相片的 POS信息和相片不對應(yīng)的問題。

5)為了提高結(jié)果的精度,建議采用二級優(yōu)化策略。首先根據(jù)原始的 POS信息,自動產(chǎn)生連接點,進行空三運算,接受優(yōu)化內(nèi)外方位信息;然后根據(jù)第一次優(yōu)化的結(jié)果,再次自動生成連接點,進行空三運算。

四、結(jié)束語

本文通過對使用 LPS處理無人機數(shù)據(jù)方法的論述,表明了該方法的優(yōu)勢在于:①采用嚴密的光束法區(qū)域網(wǎng)平差,在保證一定的精度下,以較少的人工干預(yù),能夠以最快的速度完成整個測區(qū)的處理過程;②在影像重采樣過程中支持批處理的并行計算和分布式處理,提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率,且對機器硬件要求不高,一般的工作站即可處理,滿足了無人機數(shù)據(jù)在測繪方面以及災(zāi)害應(yīng)急快速處理方面的需要,為無人機數(shù)據(jù)處理市場提供了新的解決方案。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)