陳曉茜，王海濤,2，倪 峰

（1.湖北省基礎(chǔ)地理信息中心（湖北省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)研究院），湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；3.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

低空航空攝影飛行質(zhì)量自動(dòng)化檢查系統(tǒng)實(shí)踐與研究

陳曉茜1，王海濤1,2，倪 峰3

（1.湖北省基礎(chǔ)地理信息中心（湖北省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)研究院），湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；3.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

針對(duì)低空航空攝影的特點(diǎn)，使用拍攝影像中心點(diǎn)GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)，研制基于飛行質(zhì)量成果的自動(dòng)化檢查系統(tǒng)。系統(tǒng)利用SIFT、相關(guān)系數(shù)、相對(duì)定向模型、影像勻光等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠性的自動(dòng)化處理方法，對(duì)SIFT的優(yōu)化、多線程、多核編程技術(shù)（OpenMP）實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量評(píng)定的高效處理，和對(duì)評(píng)定成果的直觀可視化表達(dá)。

低空航空攝影；SIFT；質(zhì)量檢查

低空航空攝影因成本低、性能靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、國(guó)土、規(guī)劃等行業(yè)，是獲取地理空間數(shù)據(jù)的重要手段之一[1-8]。但其在拍攝時(shí)受外部環(huán)境的影響較大，致使獲取影像的重疊度、旋偏角等變化大。為保障后期能夠提供合格的地理空間數(shù)據(jù)，低空航空攝影更應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量檢查工作[9-12]。很多學(xué)者針對(duì)航空影像質(zhì)量檢查開(kāi)展了大量的研究工作[13-16]，但針對(duì)低空航空攝影的較少。由于低空航空攝影影像數(shù)量較大，目前常規(guī)依靠人工開(kāi)展質(zhì)量檢查工作的方法自動(dòng)化程度低、工作量大，因而其需要實(shí)現(xiàn)更快的自動(dòng)處理速度。本文采用SIFT算法[17-22]、多線程、OpenMP、影像勻色[23-26]、相對(duì)定向[27-30]等技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)高效率的自動(dòng)化處理和高可靠性的自動(dòng)化檢查。

1 低空航空攝影特點(diǎn)分析

1.1 相機(jī)位置關(guān)系與獲取的影像特點(diǎn)

低空航空攝影使用數(shù)碼相機(jī)拍攝影像，幾種常用的數(shù)碼相機(jī)見(jiàn)表1。不同類(lèi)型的低空攝影測(cè)量系統(tǒng)相機(jī)與設(shè)備擺放位置有4種關(guān)系（見(jiàn)圖1），圖2a是相機(jī)擺放0°時(shí)獲取的影像效果，圖2b是相機(jī)擺放90°時(shí)獲取的影像效果。

表1 幾種常用的數(shù)碼相機(jī)像幅面參數(shù)

圖1 相機(jī)與設(shè)備擺放關(guān)系（帶箭頭的虛線表示航線方向）

圖2 相機(jī)擺放角度與航線關(guān)系

1.2 影像拍攝特點(diǎn)

低空航空攝影一般采用等距曝光的方式拍攝，航帶內(nèi)影像間距相等，而航帶間影像對(duì)應(yīng)關(guān)系隨機(jī)變化，圖3為常規(guī)航空攝影與低空航空攝影曝光特點(diǎn)，圖中藍(lán)色箭頭表示航線方向、紅線表示航線間影像關(guān)系。圖3a為平地的常規(guī)航攝航線，航帶間影像對(duì)齊關(guān)系比較整齊；圖3b是低空航空攝影的航線，航帶間影像對(duì)齊關(guān)系沒(méi)有常規(guī)航空攝影整齊。低空航空攝影使用的相機(jī)面幅較小，在相同測(cè)區(qū)面積、相同地面分辨率的情況下，與常規(guī)航空攝影相比獲取的影像數(shù)量大，圖4為兩個(gè)測(cè)區(qū)獲取的航線及影像數(shù)量。

圖3 影像曝光特點(diǎn)

圖4 低空航空攝影的航線與影像數(shù)量

1.3 航線間影像關(guān)系

由于外部環(huán)境的影響，特別是風(fēng)速的影響，航帶間的影像重疊度、旋轉(zhuǎn)等變化大，圖5為兩條航線連續(xù)4張影像重疊度及旋轉(zhuǎn)關(guān)系效果。

圖5 航帶間影像關(guān)系

2 需求與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求

常規(guī)航空攝影廣泛使用POS（GPS/IMU）技術(shù)[7-8]，而低空航空攝影一般是導(dǎo)航型號(hào)GPS技術(shù)，所以對(duì)于低空航空質(zhì)量檢查系統(tǒng)要充分利用GPS數(shù)據(jù)研制自動(dòng)檢查系統(tǒng)，具體需求如表2所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，本文將低空航空攝影飛行質(zhì)量檢查系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)模塊、自動(dòng)化處理模塊、交互可視化模塊和實(shí)用工具模塊4個(gè)部分，各個(gè)模塊的具體功能及內(nèi)容見(jiàn)表3。

表2 檢查系統(tǒng)的需求分析

表3 檢查系統(tǒng)模塊功能及內(nèi)容

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 坐標(biāo)變換

低空航空攝影系統(tǒng)記錄的影像中心點(diǎn)坐標(biāo)為經(jīng)緯度（圖6），在后期使用中需要轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)，本文采用Proj.4實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，Proj.4參數(shù)使用字符串傳遞，下例為UTM投影49帶的參數(shù)配置。為方便使用，本文將Proj.4進(jìn)行包裝，并給出實(shí)用的參數(shù)配置界面，如圖7所示。Proj.4參數(shù)配置例子（WGS84橢球UTM投影49帶的參數(shù)配置字符串）為：+proj=utm +zone=50 +a=6378140.000000 +b=6356755.288158 +towgs84=0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 +units=m +no_defs。

圖6 飛行記錄的影像坐標(biāo)數(shù)據(jù)

圖7 Proj.4參數(shù)配置界面

3.2 影像匹配

低空航空影像航帶間影像存在大旋轉(zhuǎn)角，文中采用SIFT來(lái)實(shí)現(xiàn)影像的同名點(diǎn)匹配（圖8）。經(jīng)SIFT算法匹配的同名點(diǎn)錯(cuò)誤采用RANSAC算法[30]、相對(duì)定向模型（式（1））[2-30]和投影變換模型（式（2））來(lái)剔除。

航空影像對(duì)間存在嚴(yán)格結(jié)合關(guān)系，同名點(diǎn)從計(jì)算機(jī)視覺(jué)和攝影測(cè)量學(xué)角度都可以表達(dá)為：

對(duì)于低空航空攝影，地表的深度變化相對(duì)于到相機(jī)的距離較小，此時(shí)可視為弱透視成像，同名點(diǎn)可表達(dá)為：

低空航空攝影由于外部攝影條件的復(fù)雜性，使得獲取的影像在色彩上存在不同程度的差異，在特征提取前需消除影像色彩上的差異，即進(jìn)行勻光處理。本文影像勻光是為了突出影像細(xì)部特征，提取分布均勻的特征點(diǎn)，在此采用Schowengerdt提出的LRM[25]模型處理影像色彩差異，勻光處理后的特征點(diǎn)提取效果如圖9所示。

圖8 匹配結(jié)果透明疊加效果

圖9 影像勻光前后特征提取效果

3.3 航線自動(dòng)恢復(fù)

低空航空攝影拍攝時(shí)記錄影像的位置坐標(biāo)及姿態(tài)信息（如圖10，在航帶間航偏角差別較大）。低空航空攝影幅面較小，一般航帶內(nèi)影像重疊度大于航帶間影像重疊度，這樣航帶內(nèi)影像距離就小于航帶間影像距離，所以利用影像間距離和飛行姿態(tài)這兩個(gè)條件自動(dòng)建立航帶關(guān)系，圖11是兩個(gè)測(cè)區(qū)自動(dòng)建立航帶的效果（不同航帶使用不同顏色標(biāo)識(shí)）。

圖10 飛行記錄的影像坐標(biāo)數(shù)據(jù)（航帶變換處)

圖11 航帶自動(dòng)建立實(shí)驗(yàn)案例

3.4 影像方向統(tǒng)一及自動(dòng)排列

由于相機(jī)與飛行設(shè)備間的位置關(guān)系，影像關(guān)系不符合人眼視覺(jué)觀察習(xí)慣，在開(kāi)展質(zhì)量評(píng)定前需要將影像方向統(tǒng)一。如圖12a，以航線方向?yàn)閄軸建立笛卡爾坐標(biāo)系，航帶順序按照Y軸方向排列，影像方向按照X軸排列；圖12b是使用GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)一的影像排列關(guān)系。

圖12 影像自動(dòng)排列

3.5 航帶內(nèi)、帶間檢查成果可視化

航帶內(nèi)、航帶間影像檢查成果采用影像透明疊加及質(zhì)量分布曲線的方式來(lái)直觀表達(dá)。圖13為航帶內(nèi)檢查成果的可視化，分布曲線內(nèi)容包括最大重疊度、最小重疊度、左旋偏角、右旋偏角、旋轉(zhuǎn)角；圖14為航帶間檢查成果的可視化，分布曲線內(nèi)容包括最大重疊度、最小重疊度、旋轉(zhuǎn)角。

圖13 航帶內(nèi)影像質(zhì)量檢查功能實(shí)現(xiàn)

圖14 航帶間影像質(zhì)量檢查功能實(shí)現(xiàn)

3.6 SIFT優(yōu)化

質(zhì)量評(píng)定工作量最大的環(huán)節(jié)在重疊度、旋偏角等檢查，本文使用影像金字塔、距離查找表、多線程、CPU多核等技術(shù)提高處理效率。

為提高SIFT特征提取的效率，滿足快速可視化需要，對(duì)原始影像進(jìn)行降分辨率處理，本文采用縮小影像的最大邊為1 000像素的方式縮小影像，常用相機(jī)參數(shù)如表4，降低影像分辨率對(duì)重疊計(jì)算的影像誤差為0.1%，不影響對(duì)飛行質(zhì)量的評(píng)定。影像縮小，需要CPU資源少，在此采用多線程的方式實(shí)現(xiàn)影像縮放并行處理。

表4 常用數(shù)碼相機(jī)使用縮小影像檢查重疊度誤差分析

對(duì)SIFT特征的快速計(jì)算有很多方法，本文采用OpenMP多核計(jì)算及距離計(jì)算查找表的方式提高SIFT特征的計(jì)算速度。距離計(jì)算表要求對(duì)SIFT特征描述采用整數(shù)描述，設(shè)特征的描述范圍為N，則計(jì)算查找表記錄（N-1）2，如圖15，則SIFT特征的距離由變?yōu)閐因此加快了計(jì)算速度。

圖15 距離計(jì)算查找表

OpenMP是一種用于共享內(nèi)存并行系統(tǒng)的多線程程序設(shè)計(jì)的庫(kù)，特別適合于多核CPU上并行程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。本文采用該技術(shù)計(jì)算SIFT特征點(diǎn)的距離，偽代碼為：

4 功能實(shí)現(xiàn)及可視化實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)整體評(píng)定，需要將自動(dòng)化檢查成果用圖表等方式更直觀地視覺(jué)表達(dá)，按照系統(tǒng)的需求及設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢查成果的直觀可視化，在此重點(diǎn)描述數(shù)據(jù)管理、航帶內(nèi)檢查、航帶間檢查和影像圖面檢查功能的實(shí)現(xiàn)效果。

1）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理包括拍攝的影像數(shù)據(jù)及其位置數(shù)據(jù)，圖16是數(shù)據(jù)管理的界面，對(duì)影像數(shù)據(jù)航帶關(guān)系實(shí)現(xiàn)了直觀管理，并對(duì)航帶分布、影像分布實(shí)現(xiàn)了符合檢查習(xí)慣的、友好的操作界面。

圖16 數(shù)據(jù)管理及可視化

2）航向重疊度檢查。航帶內(nèi)檢查成果可視化內(nèi)容包括航帶內(nèi)相鄰影像的透明疊加及整條航帶檢查成果的曲線分布圖，如圖17所示。

圖17 航帶內(nèi)影像質(zhì)量檢查界面效果

3）旁向重疊度檢查。航帶間檢查成果可視化內(nèi)容包括相鄰航帶相鄰影像的透明疊加及航帶間檢查成果的曲線分布圖，如圖18所示。

圖18 航帶間影像質(zhì)量檢查界面效果

4）影像圖面質(zhì)量檢查。圖面質(zhì)量評(píng)定是航空影像質(zhì)量檢查的一項(xiàng)重要內(nèi)容，本文使用影像的位置信息（GPS數(shù)據(jù)）自動(dòng)排列影像，使用前文闡述的方法自動(dòng)規(guī)劃影像方向，這樣可直觀開(kāi)展影像圖面質(zhì)量檢查，圖19是檢查云遮擋地物的例子。

圖19 測(cè)區(qū)影像整體分布瀏覽（局部截圖）

5 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)使用成熟的影像處理技術(shù)和SIFT優(yōu)化、多線程、OpenMP等實(shí)現(xiàn)了飛行質(zhì)量的高效自動(dòng)化處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量檢查的可視化交互功能。目前該系統(tǒng)已用于低空攝影成果的質(zhì)量檢查實(shí)際工作中。低空航空攝影的飛行質(zhì)量檢查內(nèi)容還包括航線軌跡等內(nèi)容，將在今后的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中進(jìn)一步完善。

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P208

B

1672-4623（2016）05-0044-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.014

陳曉茜，碩士，工程師，主要從事信息化測(cè)繪研究。

2015-12-10。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA122104）。