王陳香

摘要：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如軍事領(lǐng)域、地理測(cè)繪領(lǐng)域等。文章分析了無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用，闡述了無(wú)人機(jī)圖像拼接的特點(diǎn)和拼接方法，研究了無(wú)人機(jī)圖像拼接的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)技術(shù)；航拍與圖像拼接技術(shù)；測(cè)繪行業(yè)；地理測(cè)繪；遙感技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）30-0042-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.021

1 概述

隨著社會(huì)不斷發(fā)展和進(jìn)步，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在很多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，譬如軍事領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、考古領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、城市規(guī)劃領(lǐng)域、災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、地理測(cè)繪領(lǐng)域等。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)之所以會(huì)有如此廣泛的應(yīng)用，是由于無(wú)人機(jī)遙感圖像具有高靈活性、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可以在特別危險(xiǎn)地區(qū)探測(cè)，效率特別高，成本也低，還有無(wú)人機(jī)可在低海拔地區(qū)飛行，能夠避免云層干擾等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2 無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展

2.1 無(wú)人機(jī)發(fā)展概況

因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)也獲得了巨大進(jìn)步，并且因?yàn)楸旧愍?dú)特優(yōu)勢(shì)，受到愈來(lái)愈廣泛的關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)提取和歸納人們所需信息，主要是利用精密成像儀器和圖像分析技術(shù)，然后通過(guò)對(duì)這些時(shí)效性較高的圖像進(jìn)行特性分析等其他操作來(lái)達(dá)成。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展如此之快，以至于圖像拼接技術(shù)也受到越來(lái)越多關(guān)注，國(guó)內(nèi)外很多研究人員正在對(duì)圖像拼接技術(shù)進(jìn)行更深研究。目前，無(wú)人機(jī)圖像拼接技術(shù)受到普遍關(guān)注，各個(gè)國(guó)家的學(xué)者都進(jìn)行著與無(wú)人機(jī)圖像拼接有關(guān)技術(shù)研究工作。圖像拼接技術(shù)通過(guò)數(shù)年研究，已經(jīng)獲取相當(dāng)多研究成果，但是現(xiàn)在依然有很多問(wèn)題有待解決，諸如相幅較小、數(shù)量多、影像傾斜度大、重疊不規(guī)則等一系列問(wèn)題。圖像拼接效果和效率主要受圖像配準(zhǔn)精度和有效性所制約。

2.2 無(wú)人機(jī)航拍原理

無(wú)人機(jī)，顧名思義是一種無(wú)人駕駛的或稱作不載人的飛行器。它主要是通過(guò)無(wú)線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制。無(wú)人機(jī)航拍是以無(wú)人機(jī)作為拍攝基準(zhǔn)平臺(tái)，隨機(jī)載有高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)、紅外掃描儀、激光掃描儀等機(jī)載遙感設(shè)備獲取地面圖像或其他類(lèi)型數(shù)據(jù)信息。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所獲取的遙感圖像信息按照一定精度要求進(jìn)行解譯識(shí)別處理，并制作成相關(guān)更重要、更全面信息的大幅全景圖像。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)是一種全新的高科技遙感應(yīng)用技術(shù)，需要多種技術(shù)手段互相支撐構(gòu)建成為一個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)。全系統(tǒng)是集成遙感、遙測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)新型應(yīng)用技術(shù)，在設(shè)計(jì)和最優(yōu)化組合方面具有突出特點(diǎn)。

2.3 無(wú)人機(jī)遙感圖像特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)遙感圖像具有獲取圖像快、成本低、精度高、非接觸等諸多優(yōu)勢(shì)。然而，作為空中飛行載體，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的外界條件變化相對(duì)復(fù)雜，飛行速度比較快，導(dǎo)致圖像特性不穩(wěn)定。例如無(wú)人機(jī)在工作的時(shí)候，由于受實(shí)際的溫度、氣壓、風(fēng)力、光照條件等氣象條件因素影響，無(wú)人機(jī)所獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量有時(shí)間差，如模糊、高曝光、偏離航線等；為了獲得較高質(zhì)量的無(wú)人機(jī)圖像，有時(shí)需要采取低空、盤(pán)旋等多變飛行模式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。這會(huì)使得待拍攝物體與無(wú)人機(jī)之間產(chǎn)生明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致圖像畸變較大等問(wèn)題，還可能會(huì)出現(xiàn)工作量大、效率低等一系列問(wèn)題。

3 無(wú)人機(jī)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用

3.1 地形圖測(cè)繪

首先，無(wú)人機(jī)要拍出地面影像圖，在計(jì)算機(jī)輔助下完成正射影像糾正，對(duì)正射影像建模，形成具有外定向的實(shí)地三維數(shù)字模型，對(duì)立體模型進(jìn)行立體測(cè)量與矢量化；其次，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，難以識(shí)別的到實(shí)地檢查圖片內(nèi)容正確與否；最后，完成數(shù)字線畫(huà)圖（DLG）等工程需要各種圖紙。

3.2 征地測(cè)量

征地測(cè)量為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持保障。很多時(shí)候，村民們之間都會(huì)存在各種各樣分歧。對(duì)于那些山區(qū)起伏較大的土地征地，按照國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定是以平面面積為測(cè)量準(zhǔn)確面積，而在實(shí)際中丈量斜邊計(jì)算面積，會(huì)產(chǎn)生很大分歧。如果利用無(wú)人機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行航攝，然后利用正射影像圖勾繪，這樣就會(huì)極大地降低村民間糾紛，還會(huì)降低村民們對(duì)面積上認(rèn)可度所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

3.3 新農(nóng)村建設(shè)測(cè)繪

一般測(cè)繪房屋、交通、水系等主要地理要素。為房屋測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在調(diào)查時(shí)需實(shí)地拉邊長(zhǎng)，進(jìn)行改正。

綜上所述，測(cè)繪技術(shù)對(duì)于社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展有著不可替代作用，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)研究與應(yīng)用，就能夠有效地提高測(cè)繪工作效率，它是加快數(shù)字城市建設(shè)，增強(qiáng)各地區(qū)規(guī)劃個(gè)管理效率技術(shù)支撐，因此無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將極大地提高測(cè)繪技術(shù)效率，全面推進(jìn)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)步，我們要潛心鉆研更新技術(shù)手段，更好更快地發(fā)展無(wú)人機(jī)技術(shù)，發(fā)展測(cè)繪技術(shù)。

4 無(wú)人機(jī)圖像拼接技術(shù)

4.1 圖像拼接基本流程

圖像拼接技術(shù)包含多個(gè)學(xué)科知識(shí)，它涉及到多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，這些領(lǐng)域有計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理等。圖像拼接技術(shù)就是將無(wú)人機(jī)航攝、很多具有重疊度影像圖進(jìn)行拼接，形成大全景圖，就可以獲取更為全面、精確的信息。圖像拼接過(guò)程比較復(fù)雜，通常來(lái)說(shuō)，它包括圖像預(yù)處理、特征提取、圖像配準(zhǔn)和圖像融合幾個(gè)步驟，其中還涉及較多并且比較復(fù)雜算法，它關(guān)鍵技術(shù)主要包括圖像配準(zhǔn)和圖像融合這兩部分，其中圖像拼接關(guān)鍵部分是圖像配準(zhǔn)技術(shù)，它將直接影響到圖像拼接效果和圖像拼接效率。

在無(wú)人機(jī)進(jìn)行航攝的過(guò)程中，由于受行攝條件限制，還有機(jī)身可能不水平等問(wèn)題影響，如果直接對(duì)無(wú)人機(jī)所取得遙感圖像做拼接，肯定就會(huì)產(chǎn)生較大誤差，所以圖像拼接的首要工作就是要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。圖像預(yù)處理就是為保證最后圖像拼接的精度。預(yù)處理具體工作就是對(duì)待拼接序列圖像進(jìn)行幾何校正、噪聲抑制以及圖像增強(qiáng)處理；圖像配準(zhǔn)經(jīng)過(guò)構(gòu)造圖像之間變換模型，實(shí)現(xiàn)待處理圖像和參考圖像在空間上逐一對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖像配準(zhǔn)主要由獲取待配準(zhǔn)圖像信息、進(jìn)行信息匹配、配準(zhǔn)模型構(gòu)建等步驟組成，完成圖像配準(zhǔn)后，就需要對(duì)無(wú)人機(jī)所獲取遙感圖像進(jìn)行圖像融合工作。因?yàn)樵趫D像配準(zhǔn)過(guò)程中可能會(huì)存在一些誤差，所以就會(huì)導(dǎo)致有些像素點(diǎn)不能夠精確配準(zhǔn)。因此在工作人員選取圖像來(lái)進(jìn)行融合時(shí)，要盡量避免圖像配準(zhǔn)過(guò)程中遺留下來(lái)變形和圖像之間亮度差異對(duì)圖像融合效果影響，完成圖像無(wú)縫拼接。

4.2 圖像拼接的特點(diǎn)

由于圖像拼接技術(shù)處理的對(duì)象是多幅具有一定重疊度的遙感影像，與其他圖像處理技術(shù)相比，圖像拼接技術(shù)有其獨(dú)特的特點(diǎn)，包括針對(duì)性、多樣性以及復(fù)雜性。

4.2.1 針對(duì)性。無(wú)人機(jī)航攝所獲取的圖像內(nèi)容是不盡相同的，不同內(nèi)容的圖像，其特點(diǎn)也是大不相同的。但是由于某些圖像是在某些特定條件下獲取的，所以需要特定的圖像拼接算法來(lái)進(jìn)行圖像的拼接。通常來(lái)說(shuō)，這些特定算法具有極強(qiáng)的針對(duì)性，所以圖像拼接算法可能只適用于一些特定情況下的圖形拼接，其他的條件可能就不適用。

4.2.2 多樣性。圖像拼接技術(shù)的多樣性，主要表現(xiàn)在圖像處理的復(fù)雜性和不可把握性，具體表現(xiàn)在以下三方面：首先，客觀的現(xiàn)實(shí)世界擁有奇形怪狀、各具特色的自然物體和人造物體，這就會(huì)導(dǎo)致圖像的內(nèi)容各有差異；其次，由于各種光照條件的變化和宇宙世界中不可避免的物體運(yùn)動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致相機(jī)采集的具有重疊度的相鄰圖像有明顯的差別；最后，由于相機(jī)在圖像采集過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等多種不同的運(yùn)動(dòng)方式，這樣就會(huì)使得無(wú)人機(jī)所獲取的遙感圖像擁有不同的特性。

4.2.3 復(fù)雜性。圖像拼接技術(shù)需要通過(guò)對(duì)多幅圖像進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)幾個(gè)環(huán)節(jié)生成沒(méi)有縫隙的全景圖。所以它很復(fù)雜，是多種圖像處理算法和手段的總和。

針對(duì)以上的這些特點(diǎn)，在進(jìn)行圖像拼接時(shí)，一定要找到適合的方法進(jìn)行工作，以得到最好的全景圖像。

4.3 圖像拼接常用方法

4.3.1 基于圖像灰度方法。該方式不需要提取圖像特征，而是以兩張圖像之間重疊區(qū)域在RGB顏色系統(tǒng)中所對(duì)應(yīng)灰度級(jí)相似程度為準(zhǔn)則尋找圖像配準(zhǔn)位置，該方法通常需要定義一個(gè)代價(jià)函數(shù)，它是用來(lái)衡量?jī)煞鶊D像相似度。例如，對(duì)圖像重疊區(qū)域灰度差平方和，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)因?yàn)樵摲椒ㄐ枰脠D像的一些屬性，所以一般都要求這部分有較小屬性差異。

4.3.2 基于變換域方法。該方法就是利用傅立葉變換，將圖像由空域變換到頻域，然后通過(guò)它們相互功率直接計(jì)算得出兩幅圖像間平移矢量，繼而完成圖像配準(zhǔn)工作。

4.3.3 基于圖像特征方法。該方法通過(guò)提取圖像邊緣和輪廓線等特征，通過(guò)構(gòu)造方程、數(shù)值計(jì)算等工作，獲得圖像變換參數(shù)，然后進(jìn)行圖像匹配。這種方法能比較好適應(yīng)圖像變形、遮擋和灰度變化等問(wèn)題。這種方法需要進(jìn)行特征提取、特征匹配、選取變換模型、求取參數(shù)、坐標(biāo)變換及插值等工作。

4.4 無(wú)人機(jī)圖像拼接的關(guān)鍵問(wèn)題

4.4.1 遙感影像處理的工作，可能會(huì)存在工作量大、效率低等問(wèn)題，是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)量多并且像幅小，所以處理起來(lái)會(huì)比較復(fù)雜。

4.4.2 無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航拍工作時(shí)，有時(shí)遇到的天氣狀況可能會(huì)很惡劣，這就會(huì)出現(xiàn)遙感影像的灰度不一致、傾角大、航向重疊度無(wú)規(guī)律等一系列問(wèn)題，而且這些問(wèn)題使得遙感影像的匹配精度低且難度大，從而導(dǎo)致其獲取的外方位元素精度也會(huì)比較低。

4.4.3 在無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍工作時(shí)，其飛行路線可能不完全是直線，因而可能就會(huì)導(dǎo)致航拍的影像的旁向重疊度非常不規(guī)則，這樣就會(huì)影響圖像配準(zhǔn)以及最后融合的精度和效率。

4.4.4 在一些突發(fā)災(zāi)害的情況下，由于道路被嚴(yán)重?fù)p壞，就會(huì)導(dǎo)致工作人員不能夠到達(dá)無(wú)人機(jī)拍攝的區(qū)域，設(shè)置地面控制點(diǎn)。因此在條件復(fù)雜且惡劣的地理環(huán)境和缺少控制點(diǎn)的情況下，進(jìn)行幾何校正也成為了遙感影像快速處理的關(guān)鍵工作之一。

5 結(jié)語(yǔ)

利用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以很方便地獲取圖像數(shù)據(jù)，關(guān)鍵技術(shù)在于無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)能真實(shí)反映地形狀況，在測(cè)繪工程中有很多方面的應(yīng)用。在處理圖像的時(shí)候，必須進(jìn)行遙感圖像幾何校正、無(wú)縫拼接和質(zhì)量評(píng)價(jià)等工作，以便于更高效、更準(zhǔn)確地獲取相關(guān)的信息。

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