曹正響

(甘肅省地圖院，甘肅 蘭州730000)

一、引 言

傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和技術(shù)革新，至今已經(jīng)非常成熟，在國家基本比例尺地形圖測繪中發(fā)揮著獨(dú)一無二的作用。但在面對小區(qū)域、大比例尺成圖任務(wù)時(shí)，卻因成本過高或不夠機(jī)動靈活，而難以發(fā)揮作用。

無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)遙感，作為傳統(tǒng)航空攝影測量的一種重要補(bǔ)充方式，日益成為獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段，具有機(jī)動靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低的特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)快速獲取高分辨率影像方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠廣泛應(yīng)用于困難區(qū)域大比例尺成圖和應(yīng)急救災(zāi)等方面的測繪保障。

然而，由于無人機(jī)飛行環(huán)境的復(fù)雜性、飛行的不穩(wěn)定性，以及采用非量測數(shù)碼相機(jī)作為遙感設(shè)備，存在著非量測性、旋偏角和畸變差過大等問題，傳統(tǒng)的攝影測量軟件系統(tǒng)已很難順利處理無人機(jī)數(shù)據(jù)。如何快速而有效地解決這些問題，無疑是無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的重點(diǎn)。本文以攝影測量軟件PixelGrid為例，結(jié)合對甘肅敦煌某測區(qū)無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的作業(yè)流程，對無人機(jī)數(shù)據(jù)處理做了相關(guān)介紹和探討。

二、PixelGrid軟件簡介

PixelGrid系統(tǒng)是中國測繪科學(xué)研究院研制的一款多源航空航天遙感數(shù)據(jù)集群分布式處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對包括低空無人機(jī)等多種高分辨率航空影像和衛(wèi)星影像的攝影測量處理，采用計(jì)算機(jī)多核并行處理技術(shù)、自動化和人工編輯相結(jié)合作業(yè)的數(shù)據(jù)處理方式，以一定的任務(wù)調(diào)度策略完成影像數(shù)據(jù)的分布式處理，大大提高了遙感數(shù)據(jù)的處理能力。其低空無人機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊(PixelGrid-UAV)主要用于低空飛行器航空影像的攝影測量處理，能夠完成低空航空影像和無人機(jī)影像數(shù)據(jù)從預(yù)處理、影像畸變差改正、自動空三、DSM/DEM的生成、正射影像的糾正、勻光勻色以及自動拼接的整個(gè)航攝數(shù)據(jù)處理流程。該模塊采用基于尺度/旋轉(zhuǎn)不變性特征的高精度多基線影像匹配算法，可有效解決由于大傾角、大旋偏角無人機(jī)影像的高精度、高可靠性配準(zhǔn)的難題，實(shí)現(xiàn)了低空無人機(jī)遙感影像的快速空中三角測量處理。同時(shí)，該模塊具有無人機(jī)航空影像與已有DOM和DEM的自動、高精度配準(zhǔn)技術(shù)，突破了無人機(jī)航空影像快速無控制空三過程中控制點(diǎn)的自動提取和穩(wěn)健的粗差定位與剔除等關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍無人機(jī)航空影像在應(yīng)急情況下的快速精準(zhǔn)影像定位和高效高精度的影像地圖制作。

三、低空無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

PixelGrid處理無人機(jī)數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 PixelGrid-UAV處理無人機(jī)數(shù)據(jù)流程

所用數(shù)據(jù)情況說明：甘肅敦煌某測區(qū)無人機(jī)影像877張，共16條航線，GSD為0．08 m，覆蓋面積約 12．5 km2。

1．像片畸變差改正

由于無人機(jī)搭載的攝影相機(jī)一般為非量測相機(jī)，與專業(yè)的航空膠片相機(jī)和專業(yè)的數(shù)字航空攝影相機(jī)相比，其影像存在邊緣畸變，因此在空三加密前需利用相機(jī)畸變改正參數(shù)文件對原始影像進(jìn)行畸變差校正，并將寬幅影像按實(shí)際的重疊方向做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)。

2．空三工程創(chuàng)建

設(shè)置工程目錄后，創(chuàng)建正確的相機(jī)文件，包括像素?cái)?shù)目、像元大小、相機(jī)焦距長等，注意校正后的影像像主點(diǎn)坐標(biāo)均為0。同時(shí)設(shè)定內(nèi)定向、相對定向限差以及模型連接限差和像控點(diǎn)文件。

3．構(gòu)建測區(qū)自由網(wǎng)

創(chuàng)建好空三工程后即可生成金字塔影像并進(jìn)行影像自動內(nèi)定向，然后進(jìn)行測區(qū)自由網(wǎng)的構(gòu)建。若有POS坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可直接執(zhí)行GPS/IMU輔助全自動連接點(diǎn)匹配命令，完成航線內(nèi)部和航線間連接點(diǎn)的匹配。如果沒有POS數(shù)據(jù)，則需要按相對定向、高可靠性模型連接、航帶間拼接點(diǎn)選取、航帶間自動轉(zhuǎn)點(diǎn)等步驟逐步完成測區(qū)自由網(wǎng)的構(gòu)建。

4．空三平差解算

在完成測區(qū)自由網(wǎng)的構(gòu)建后，即可進(jìn)行平差解算。一般先進(jìn)行測區(qū)自由網(wǎng)平差，并剔除粗差，再量測像控點(diǎn)。像控點(diǎn)添加方法同連接點(diǎn)方式一樣，只是輸入點(diǎn)號需同相應(yīng)的控制點(diǎn)點(diǎn)名一致。添加完控制點(diǎn)后，設(shè)置好空三平差參數(shù)，即可進(jìn)行控制點(diǎn)平差。

平差完成后，查看控制點(diǎn)殘差，如果控制點(diǎn)超限，則需對其進(jìn)行修改再平差。直到連接點(diǎn)及控制點(diǎn)都滿足要求為止。全部解算合格后，即完成了整個(gè)測區(qū)的空三加密。

5．影像匹配

空三平差解算完成后，即可進(jìn)行DSM全自動提取。PixelGrid-UAV系統(tǒng)的DEM/DSM自動提取模塊采用了獨(dú)特的基于多基線、多重匹配特征的高精度匹配算法，且可以在多核CPU環(huán)境下進(jìn)行分布式并行處理。但由于現(xiàn)實(shí)世界地物的復(fù)雜性，例如建筑物、樹木、陰影等造成的影響，若需要得到較高精度的 DEM，還需要一些人工編輯及必要的質(zhì)量控制。

6．?dāng)?shù)字微分糾正

PixelGrid軟件下正射影像生成主要包括3個(gè)環(huán)節(jié)：影像的勻光勻色處理、正射影像的糾正、拼接處理與分幅裁切。通過計(jì)算機(jī)分布式處理技術(shù)，可以充分利用硬件資源，實(shí)現(xiàn)影像預(yù)處理、核線影像生成、影像匹配和正射糾正等作業(yè)步驟的高度自動化，大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率。以本試驗(yàn)測區(qū)為例，共有877幅無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，單人處理15 h后即完成空三解算和DEM、DOM的制作。處理數(shù)據(jù)結(jié)果效果如圖2所示。

圖2 無人機(jī)影像DOM效果

四、PixelGrid軟件處理無人機(jī)數(shù)據(jù)注意事項(xiàng)

1)在設(shè)置測區(qū)影像信息時(shí)，如果有POS信息，可以直接導(dǎo)入POS坐標(biāo)數(shù)據(jù)(其坐標(biāo)系統(tǒng)必須與控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)一致)，即可確定影像之間的相對位置關(guān)系。如果沒有POS數(shù)據(jù)，則需要根據(jù)航飛信息逐航線確定影像之間的位置關(guān)系，并設(shè)置好各影像的影像代號(一個(gè)測區(qū)內(nèi)影像代號必須都是唯一的)、影像像素大小及檢校文件。

2)在PixelGrid軟件中，創(chuàng)建測區(qū)時(shí)相片順序、旋轉(zhuǎn)方向一定要仔細(xì)逐航線設(shè)置正確，否則將導(dǎo)致后續(xù)的相對定向、模型連接等無法順利完成。

3)在進(jìn)行模型連接時(shí)，有時(shí)可能由于影像質(zhì)量問題或者地形因素導(dǎo)致模型連接失敗，此時(shí)就需要在失敗的模型連接像片上標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位處增加3個(gè)以上的連接點(diǎn)，且每個(gè)連接點(diǎn)至少要在3張像片上都有同名影像點(diǎn)。在選取航帶拼接點(diǎn)時(shí)，一般要求在航線首尾各選一個(gè)，如果一條航線上的像片數(shù)超過20個(gè)，則在中間位置增加一個(gè)航帶初始連接點(diǎn)。

4)在設(shè)置平差參數(shù)時(shí)，其像點(diǎn)量測先驗(yàn)精度(μm)值一般設(shè)置成像元大小的一半(整數(shù)設(shè)置)即可，而平面及高程精度值設(shè)置則應(yīng)小于項(xiàng)目精度要求，一般設(shè)置成控制點(diǎn)本身的精度。

五、無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)要點(diǎn)

1)由于無人機(jī)采用的是非量測相機(jī)進(jìn)行航拍，其影像邊緣存在較大的畸變，其特點(diǎn)是越偏離像片中心，畸變差越大，造成像點(diǎn)、物點(diǎn)和投影中心不再滿足三點(diǎn)共線條件，按傳統(tǒng)的共線方程無法順利處理，因此利用正確的相機(jī)檢校文件對原始影像進(jìn)行畸變差改正極其重要，也直接影響著后續(xù)處理能否順利成功。

2)由于無人機(jī)在實(shí)際航飛時(shí)情況的復(fù)雜性，往往并無準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)可以直接利用，此時(shí)可以按照航線飛行信息假定一套POS數(shù)據(jù)，用來確定相片之間的相對關(guān)系。

3)由于太陽光的投射角度不同、地物的差異以及相機(jī)本身曝光的不均勻等因素，每張?jiān)加跋裨谏屎蜕{(diào)上不盡相同。為了使糾正后的正射影像在色彩及色調(diào)上盡量保持一致，各自然分幅圖達(dá)到無縫拼接的目的，必須對影像成果進(jìn)行勻光勻色，并在影像鑲嵌時(shí)對拼接線進(jìn)行必要的羽化處理。

4)由于無人機(jī)一般飛行高度較低、像幅較小，數(shù)據(jù)量較大，因此推薦使用單機(jī)多核或多機(jī)多核工作站，充分利用軟件對計(jì)算機(jī)多核并行處理技術(shù)的支持，可以大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率。

六、結(jié)束語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對小區(qū)域、大比例尺的地形圖的需求量巨大，并且十分迫切。尤其在應(yīng)急測繪保障方面，無人機(jī)航攝具有傳統(tǒng)航攝無可比擬的優(yōu)勢。當(dāng)前，全國測繪系統(tǒng)許多單位已配備了無人機(jī)航攝系統(tǒng)，無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件性能成為關(guān)鍵技術(shù)問題。相信隨著高效率的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的推廣使用，無人機(jī)航攝在提高測繪成果現(xiàn)勢性、增強(qiáng)測繪應(yīng)急服務(wù)保障能力等方面，必將發(fā)揮其巨大優(yōu)勢，并將越來越廣泛地應(yīng)用于民用生活。

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