謝 鋒 珠

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

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基于PHOTOMOD軟件制作無人機(jī)航測正射影像圖

謝 鋒 珠

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

基于PHOTOMOD軟件在數(shù)據(jù)處理過程中的優(yōu)異特點(diǎn)，探討了無人機(jī)航拍高質(zhì)量、高精度DOM的制作流程，并從相機(jī)畸變參數(shù)、點(diǎn)云濾波、DEM優(yōu)化方法、影像拼接等方面，論述了DOM制作中的關(guān)鍵技術(shù)，指出PHOTOMOD軟件為航測數(shù)據(jù)處理提供了新途徑。

無人機(jī)航攝，正射影像，PHOTOMOD，DEM

得益于無人機(jī)性能的快速提升，無人機(jī)低空航攝技術(shù)以其響應(yīng)速度快、成本低廉、能滿足大比例尺成圖要求等特點(diǎn)在應(yīng)急測繪、城鎮(zhèn)規(guī)劃、承包經(jīng)營權(quán)發(fā)證等工作中得到了廣泛應(yīng)用。但無人機(jī)航攝相對傳統(tǒng)航攝也存在飛行姿態(tài)變化快，影像傾角大，像幅數(shù)較多等特點(diǎn)，這給航攝數(shù)據(jù)處理平臺提出了新的要求[1]。綜合以上特點(diǎn)，無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在DOM生產(chǎn)中的主要問題如下[2，3]：

1)無人機(jī)航攝一般采用非量測相機(jī)，此類相機(jī)鏡頭畸變較大，且受飛行及降落條件影響鏡頭畸變不穩(wěn)定，即使自動空三匹配的質(zhì)量較好，也會由于上下視差的存在降低DSM點(diǎn)云精度及DEM精度，進(jìn)而影響DOM精度及質(zhì)量。2)傳統(tǒng)的方法利用立體像對匹配DSM點(diǎn)云，人工處理地表植被、構(gòu)筑物等特征地物生成DEM，設(shè)計(jì)有效的濾波手段避免人工干預(yù)，可以極大的提高工作效率。3)受中心投影的影響，且航高較低，較高的構(gòu)筑物在不同航片上的傾向差異較大，且不同航片上色彩各不相同，拼接線的走向應(yīng)避開較高的構(gòu)筑物，同時需要利用軟件的勻光勻色功能合理的調(diào)整航片的色彩。

通常情況下，數(shù)字正射影像圖的數(shù)學(xué)精度通過優(yōu)化飛行方案，空三加密處理，容易滿足要求，但影像質(zhì)量受到色調(diào)、色彩、拼接線兩側(cè)色差的影響較大，只有優(yōu)化正射影像的生產(chǎn)過程，才能解決以上矛盾。

1 數(shù)字正射影像圖的制作流程

利用數(shù)字高程模型制作數(shù)字正射影像圖的過程其實(shí)質(zhì)是利用微分糾正方法依據(jù)糾正單元的地面實(shí)際高程計(jì)算該單元的糾正元素，實(shí)現(xiàn)航攝像片由中心投影轉(zhuǎn)變?yōu)檎渫队暗倪^程。正射影像圖的制作流程如圖1所示。

2 DOM制作關(guān)鍵技術(shù)

2.1 相機(jī)畸變參數(shù)

在攝影測量中，最重要的設(shè)備是相機(jī)。傳統(tǒng)攝影測量都要求采用量測型相機(jī)，對于專業(yè)量測相機(jī)，各項(xiàng)指標(biāo)都要求十分嚴(yán)格，尤其是對于相機(jī)鏡頭其誤差、分解力、畸變都有相應(yīng)的規(guī)定和要求，且要具備定向和置平裝置。這也就導(dǎo)致了其價格昂貴，且體積笨重。

對于無人機(jī)攝影測量，由于其體積小，載重輕，通常選擇較高端的數(shù)字相機(jī)，在對其進(jìn)行嚴(yán)密的畸變參數(shù)糾正后，結(jié)合自動拍照裝置，裝載在無人機(jī)上面，進(jìn)行航攝。與專業(yè)量測相機(jī)相比，數(shù)字相機(jī)的缺點(diǎn)是內(nèi)方位元素不穩(wěn)定，無壓平、水準(zhǔn)和定向裝置，畸變差較大等，需要對其執(zhí)行嚴(yán)格的相機(jī)參數(shù)標(biāo)定。由于無人機(jī)起飛、降落以及運(yùn)輸過程中，都會對相機(jī)畸變參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，理論上應(yīng)在每次起飛前都要進(jìn)行相機(jī)參數(shù)的檢校、標(biāo)定，但在實(shí)際生產(chǎn)中不太現(xiàn)實(shí)。因此，需要軟件可根據(jù)聯(lián)合平差結(jié)果進(jìn)行相機(jī)的自檢校。

在自動空三加密后，如果已經(jīng)匹配到了足夠的連接點(diǎn)，且連接點(diǎn)殘差均方根和最大值都小于規(guī)范要求，但是在立體視圖下，仍存在視差，通常是由于相機(jī)畸變參數(shù)不準(zhǔn)導(dǎo)致的，可利用軟件進(jìn)行相機(jī)參數(shù)的自檢校。

PHOTOMOD軟件支持聯(lián)合平差，既可以支持無控制點(diǎn)工程的相機(jī)自檢校，也支持布控工程的相機(jī)自檢校。針對無人機(jī)的自動空三，PHOTOMOD軟件利用的特定算法，在連接點(diǎn)匹配完成后，可自動剔除錯誤以及超限的連接點(diǎn)，使得連接點(diǎn)數(shù)量少、精度高。PHOTOMOD軟件采用光束法平差，將外方位元素和匹配連接點(diǎn)置于同一共線方程式中，對由像平面坐標(biāo)觀測值構(gòu)成的非線性函數(shù)線性化，利用最小二乘原理，經(jīng)過多次迭代計(jì)算后確定最優(yōu)值。在自檢校時，軟件將該項(xiàng)目的系統(tǒng)誤差計(jì)算到相機(jī)參數(shù)中，從而可以得到針對該項(xiàng)目最優(yōu)化的相機(jī)檢校值。

經(jīng)過相機(jī)自檢校，可以有效消除立體像對間的上下視差，提高作為正射糾正基礎(chǔ)的點(diǎn)云的精度，一定程度上消除了由于點(diǎn)云質(zhì)量較差導(dǎo)致的正射影像數(shù)學(xué)精度低、影像拉花、變形等影響。

2.2 點(diǎn)云濾波

無人機(jī)航攝的特點(diǎn)是像幅小影像數(shù)量巨大，手工編輯地面點(diǎn)的方法工作量較大，采用濾波的方式對DSM進(jìn)行優(yōu)化是較為適合無人機(jī)航攝的方法。

1)PHOTOMOD軟件基于LiDAR點(diǎn)云處理原理，采用基于坡度變化的濾波算法，根據(jù)地形坡度變化確定最優(yōu)化濾波函數(shù)，對于給定的高差值，隨著兩點(diǎn)間距離的減小，高程值大的點(diǎn)屬于地面點(diǎn)的可能性就越小。2)PHOTOMOD軟件以建筑物的底座基準(zhǔn)高度為準(zhǔn)，刪除邊界內(nèi)部的點(diǎn)，將底座邊界重新生成TIN加入到地形TIN中。3)PHOTOMOD軟件采用模型化的濾波方式，提供了Z值范圍、Z中值、表面目標(biāo)、影像紋理、建筑物和植被濾波等多種方式，通過濾波方法極大的提高了DEM精度，減輕了工作量，能夠滿足DOM生產(chǎn)的要求。

2.3 DEM優(yōu)化的其他方法

數(shù)字高程模型(DEM)的分辨率一般低于正射影像(DOM)的分辨率，所以需要在特定區(qū)域增加特征線，以提高DOM精度。通過采集特征線的方法可以提高正射影像圖的精度，但是采集大量的特征線費(fèi)時費(fèi)力，常用的方式是采用數(shù)字高程模型(DEM)為主，在道路、橋梁以及重要線狀地物上測量特征線參與構(gòu)TIN的方法。

特征線采集與DEM獲取的注意事項(xiàng)：1)大型線狀人工構(gòu)筑物的特征線采集。對一些線狀人工構(gòu)筑物例如道路、橋梁采集必要的特征線，解決道路、橋梁等重要地物的影像變形問題。2)分層采集立交橋特征數(shù)據(jù)，兩次糾正，合成使用。在立交橋處，必須同時保證立交橋與道路的影像正確，采用兩次糾正，合成使用的方法可以很好的解決這個問題。第一次糾正只采集立交橋的特征線數(shù)據(jù)，保證立交橋的精度，第二次糾正只采集道路的特征線數(shù)據(jù)，保證道路的精度，兩次分別生成DEM，分別糾正影像，后期利用PhotoShop軟件合成正射影像。3)森林覆蓋區(qū)DEM優(yōu)化。由于DEM一般緊貼地面生成，會導(dǎo)致森林覆蓋區(qū)影像出現(xiàn)模糊、拉花等現(xiàn)象，所以在此類區(qū)域適當(dāng)拔高DEM，使其覆蓋于樹冠頂部，可以極大的提高影像清晰度。4)地形變化劇烈處的DEM優(yōu)化。在地形變化劇烈的山脊、山谷處，通過降低山脊線，抬高山谷線的方法優(yōu)化DEM，可以有效的提高影像的數(shù)學(xué)精度，減少地形變化帶來的影像變形。

在一些區(qū)域，通過DEM優(yōu)化無法達(dá)到理想的效果時，還可以采用較低分辨率的DEM糾正正射影像，也能在一定程度上提高影像清晰度。

2.4 影像拼接

由于相機(jī)采取中心投影，造成房屋在不同航片上的倒向不同，在進(jìn)行影像拼接的時候，拼接線需要避開房屋、高架橋等設(shè)施，因此拼接線的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。不同影像在接邊處顏色也會有所不同，軟件的勻光勻色的性能對于最終成圖質(zhì)量影像至關(guān)重大。

2.4.1 勻色

PHOTOMOD軟件提供多種勻色方案：1)基于原始影像，局部調(diào)整。該方式最大程度上保持影像原始色彩，通過設(shè)置片區(qū)大小和色彩反差系數(shù)，對拼接線兩側(cè)影像進(jìn)行色彩調(diào)整、并暈開亮度。2)基于影像平均亮度調(diào)整。使用影像平均亮度對整體影像進(jìn)行勻光、勻色，并結(jié)合局部調(diào)整。3)基于模板勻色。選取一幅包含盡可能多的物的影像，調(diào)整色階曲線、對比度、亮度以及RGB色彩深度等，使之顏色最佳，之后使用該模板對影像進(jìn)行勻色，也可以直接使用顏色較好的工程內(nèi)影像對整體影像勻色。勻色效果圖見圖2。

2.4.2 拼接線

PHOTOMOD對海量數(shù)據(jù)自動生成拼接線，且絕大部分拼接線會自動避開房屋，極大的減少人工拼接的工作量。在拼接線編輯完成后，可即時預(yù)覽效果，如圖3所示。

2.4.3 影像裁切

針對無人機(jī)影像，影像邊緣裁切可有效去除畸變較大的影像邊緣區(qū)域。切除影像邊緣只利用最下方的影像進(jìn)行拼接出圖，可有效減小投影差對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影像，也更接近真正色，成圖更美觀。

2.4.4 拼接線自動加密

由于DEM分辨率一般低于DOM分辨率，DEM就會導(dǎo)致拼接線在具備一定高度的路基、溝渠等處拼接會有少許錯位。PHOTOMOD軟件支持在生成拼接線后，在拼接線周圍搜索同名點(diǎn)，構(gòu)成連接點(diǎn)，以提高拼接精度。 拼接線自動加密見圖4。

3 結(jié)語

數(shù)字高程模型(DEM)的獲取、影像拼接、色彩調(diào)整是正射影像制作過程中的重要步驟，本文利用PHOTOMOD軟件，結(jié)合其數(shù)據(jù)處理過程中的優(yōu)異特點(diǎn)，探討了無人機(jī)航拍高質(zhì)量、高精度DOM 的制作流程，并重點(diǎn)論述了DOM 制作中的關(guān)鍵技術(shù)。PHOTOMOD軟件為航測數(shù)據(jù)處理又提供了一套完整的整體解決方案。

[1] Habib Aziz Salim,陳曉玲,江萬壽,等.基于Photomod3.11制作數(shù)字正射影像[J].測繪信息與工程,2007,32(5):27-29.

[2] 何 敬，李永樹，魯 恒，等.無人機(jī)影像的質(zhì)量評定及幾何處理研究[J].測繪通報(bào)，2010(4):22-24．

[3] 買小爭,楊 波,馮曉敏.無人機(jī)航攝像控點(diǎn)布設(shè)方法探討[J].測繪通報(bào),2012(3):275-278.

On othoimage of unmanned aerial vehicle’s air survey based on PHOTOMOD software manufacturing

Xie Fengzhu

(ShanxiCoalVocationalPolytechnicCollege,Taiyuan030031,China)

Based on PHOTOMOD software, the paper indicates the advantages of the data processing, explores the manufacturing procedure for the unmanned aerial vehicle’s high-fidelity and high-accuracy images, indicates the key techniques for the DOM manufacturing from camera distortion parameter, point cloud filter, DEM optimal method, and image fusion, indicates the key technique in DOM manufacturing, and points out PHOTOMOD provides new channel for the navigation data process.

unmanned aerial vehicle, othoimage, PHOTOMOD, DEM

1009-6825(2016)31-0208-02

2016-08-25

謝鋒珠(1972- )，男，講師

TU198

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