尚海興

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在軟硬件技術(shù)日新月異的發(fā)展推動下，應對面積大、工期緊、實測成本高的大比例尺地形圖測繪任務，低成本、高效靈活的無人機航測手段已然成為主要測繪方案[1-4]。航測高精度后處理軟件已經(jīng)趨于成熟，而適用各類型框幅式傳感器的無人機航攝設(shè)計、成果整理發(fā)布的自動化和標準化、輔助像控設(shè)計、輔助空三整理等功能暫時無成熟商業(yè)軟件可用。無人機航攝數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理與質(zhì)量評價、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、航攝成果標準化歸檔、輔助像控設(shè)計與輔助空三整理等工序往往均采用人工逐步整理，數(shù)據(jù)格式無法實現(xiàn)批量標準化整理，航攝成果質(zhì)量無法快速評估，容易造成航攝漏洞，復飛返工的經(jīng)濟成本和實際成本較高[5]。為讓航攝人員簡易規(guī)范地提交一套航外人員使用方便、航內(nèi)空三加密人員操作舒心的航攝數(shù)據(jù)，開發(fā)一套高效銜接航攝與航內(nèi)空三加密工序的無人機航攝自動化處理系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)分析與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為方便系統(tǒng)管理和后期維護，整個系統(tǒng)文檔和屬性數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫管理方式，海量影像數(shù)據(jù)采用文件存儲、軟件調(diào)用方式管理，以項目為基本單元進行航攝項目系統(tǒng)管理。

無人機航攝自動化處理系統(tǒng)主要包括：項目管理、嚴密航線設(shè)計、像控點精度估算、飛行監(jiān)控、航攝影像質(zhì)檢、航攝數(shù)據(jù)跨平臺轉(zhuǎn)換、航攝成果自動歸檔等主要功能。其主要特色有：① 嚴密的航線設(shè)計模塊。根據(jù)測區(qū)地形和范圍、航攝質(zhì)量與測圖精度估算，模塊內(nèi)的相機庫涵蓋了大型專業(yè)航攝儀、主流無人機航攝儀、大疆旋翼航攝系列相機及用戶自定義相機等22款相機參數(shù)，便于行業(yè)推廣。② 航攝影像的快速質(zhì)檢功能。根據(jù)現(xiàn)場快拼的質(zhì)檢報告來評估是否補飛復飛。③ 航攝數(shù)據(jù)跨平臺轉(zhuǎn)換功能。可方便航外像控點可視化布設(shè)及內(nèi)業(yè)空三快速添加像控點。④ 航攝成果庫管理與快速標準化提交與歸檔?；谏鲜龉δ芊治?，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)是航攝項目資料提交、歸檔、查詢、管理的重要支撐。主要的數(shù)據(jù)表有：① 航攝飛行記錄表。記錄飛機工作狀態(tài)。② 項目信息表。結(jié)合測區(qū)范圍矢量信息和航攝飛行記錄表用于項目航攝資料歸檔管理與查詢。③ 航線設(shè)計信息表。用于生成制式航攝技術(shù)設(shè)計報告。④ 影像質(zhì)量信息表。結(jié)合航線設(shè)計信息表共同生成航攝技術(shù)總結(jié)報告。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

1.2.1 項目管理

新建項目后，系統(tǒng)會建立制式工程文件夾，根據(jù)項目ID寫入項目管理數(shù)據(jù)庫文件。飛行前，同時將航線設(shè)計信息寫入庫文件。航攝后，加載航攝原始影像信息，進入航攝影像快速質(zhì)檢與跨平臺轉(zhuǎn)換，同時進行像控點可視化布設(shè)。航攝任務結(jié)束后輸出工程檔案自動進行完整資料歸檔，歸檔資料均為自動和標準制式報告，大幅減少人工整理工作量，降低出錯概率。

1.2.2 航線設(shè)計與航飛輔助監(jiān)控

航線設(shè)計最為關(guān)鍵是根據(jù)攝區(qū)地形條件和傳感器參數(shù)(航攝相機)計算最佳航攝飛行高度、航線間隔、相機曝光間隔、最低和最高點分辨率、最大和最小重疊度、像片數(shù)估算等航攝參數(shù)，這些參數(shù)是安全飛行和航攝質(zhì)量達標的關(guān)鍵參數(shù)，是測繪成果精度控制的重要環(huán)節(jié)。

航飛輔助監(jiān)控主要目的是在無人機起飛后地面系統(tǒng)接收自駕系統(tǒng)實時回傳信號，根據(jù)飛機的飛行參數(shù)設(shè)置航油、航電、航時的安全閾值，確保飛機在最大的影像獲取效率下安全返航。

1.2.3 航攝影像質(zhì)量檢查

無人機航測外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)檢的功能是在飛行后，即時檢查飛行成果是否合格。軟件可根據(jù)機載差分GNSS或概略POS位置和原始影像。對原始影像進行降采樣處理后的金字塔影像，使用數(shù)字航攝影像快拼技術(shù)[6]，直觀展示飛行成果信息，及時發(fā)現(xiàn)漏片漏POS點的情況；自動計算影像間重疊度，檢查飛行成果的重疊度(旁向和航向)是否合格；并輸出飛行質(zhì)量成果檢查報告，用戶可據(jù)此判斷飛行成果是否符合要求，是否需要補飛或重飛，可有效降低外業(yè)航攝周期和成本。

1.2.4 像控點精度估算與基線間隔

像控點的布設(shè)方案與航線設(shè)計方案息息相關(guān)，當航線確定后，依據(jù)測區(qū)范圍、實際地形起伏和相機參數(shù)，合理計算后確定最佳基線間隔，其目的是：在能確?？杖用芫?包括平面和高程精度)達標前提下，最大限度減少外業(yè)像控點布設(shè)密度，從而降低成本，加快工程進度，提供作業(yè)效率。

1.2.5 影像預處理

當前市場絕大部分無人機可見光航攝相機均采用非量測型相機，鏡頭存在畸變差，它會嚴重影響空三匹配精度，使得模型上下視差和模型接邊差很大，測繪成果無法達到航測規(guī)范精度要求。該模塊可根據(jù)相機檢校參數(shù)對原始影像進行嚴密的畸變誤差糾正，使空三精度滿足航測內(nèi)業(yè)規(guī)范精度要求。該模塊可批量實現(xiàn)各影像格式轉(zhuǎn)換和降采樣處理，為快拼匹配做預處理。

1.2.6 跨平臺格式轉(zhuǎn)換

航攝成果是為航測內(nèi)業(yè)空三加密流程服務，系統(tǒng)可根據(jù)自駕儀原始POS格式進行坐標系統(tǒng)、航攝影像格式和命名等數(shù)據(jù)接口之間的轉(zhuǎn)換，確保航內(nèi)人員可簡潔、直觀地進入空三程序?？缙脚_POS格式轉(zhuǎn)換也可用于像控點布設(shè)方案可視化調(diào)整。

1.2.7 航攝數(shù)據(jù)歸檔與航攝報告自動生成

航攝數(shù)據(jù)歸檔依據(jù)國家規(guī)范制定無人機航攝資料歸檔模板，程序根據(jù)對應航線設(shè)計方案、質(zhì)檢報告和整理后的文檔、影像資料自動生成航攝報告，實現(xiàn)自動化、標準化資料報告歸檔。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

為實現(xiàn)上述功能，筆者采用Microsoft Visual Studio編譯平臺，運用Visual C++的MFC微軟基礎(chǔ)類庫進行程序設(shè)計與開發(fā)，產(chǎn)品以互動性友好的對話框方式實現(xiàn)人工交互與各數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換。程序在設(shè)計之初對國內(nèi)外無人機航攝市場進行了廣泛調(diào)查，軟件內(nèi)涉及的航攝相機型號與參數(shù)、自駕儀數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出接口格式適用于市場眾多主流型號，同時開放了自定義參數(shù)設(shè)置，軟件具備較強的行業(yè)推廣應用價值。

圖2 主流航攝相機庫圖

2.1 航線設(shè)計

航線設(shè)計主要依據(jù)航高與地面分辨率關(guān)系和相機參數(shù)推算航攝參數(shù)，相機庫包含了市場大部分航攝相機參數(shù)，如圖2所示。程序設(shè)計需要考慮現(xiàn)有市場各款主流相機參數(shù)、航線安全飛行高度過低警告、最低點分辨率過低警告、最高點航向/旁向重疊度不足警告及誤操作彈窗警示。航高與地面分辨率計算關(guān)系為：

(1)

式中：h為相對航高，m；f為鏡頭主距，mm；a為像元大小，mm；GSD為地面分辨率，m。

2.2 航攝影像質(zhì)量檢查

軟件可根據(jù)機載差分GNSS或概略POS位置和原始影像，直觀展示飛行成果信息，及時發(fā)現(xiàn)漏片丟POS數(shù)據(jù)的情況；自動計算影像間重疊度，檢查飛行成果的重疊度(旁向和航向)是否合格；并輸出飛行質(zhì)量成果檢查報告，用戶可據(jù)此判斷飛行成果是否符合要求，是否需要補飛或重飛。影像質(zhì)量檢查基于無人機影像快拼技術(shù)，加載原始影像和POS文件，計算各片的重疊度，在快拼圖中疊加重疊度信息標識，并自動輸出質(zhì)檢報告。質(zhì)檢功能、重疊度計算與標識如圖3所示。

2.3 像控點精度估算與基線間隔計算

像控點的布設(shè)方案與航線設(shè)計方案相關(guān)，當航線確定后，參照航攝規(guī)范[7-8]、測區(qū)地形實際起伏和相機參數(shù)，合理計算后確定最佳基線間隔。像控點航向基線數(shù)跨度估算公式如式(2)和式(3)所示，像控點精度估算與基線間隔計算如圖4所示。

用戶需要導入測區(qū)范圍和加載全球DEM，根據(jù)測區(qū)所需技術(shù)指標，輸入對應參數(shù)，系統(tǒng)會自動計算出“航高”和“航向重疊度”，用戶如需提高精度可以手工修改。點擊“自動布點”按鈕可以輸出自動布點文件，在Google Earth環(huán)境下打開自動布點文件可視化布設(shè)像控點和點位密度優(yōu)化。

(2)

(3)

式中：ms為連接點(空三加密點)的平面中誤差,mm；mA為連接點(空三加密點)的高程中誤差,m；K為像片放大成圖倍數(shù)；H為相對航高,m；b為像片基線長度,mm；mq為視差量測的單位權(quán)中誤差,mm；n為航線方向相鄰平面控制點的間隔基線數(shù)。

圖3 重疊度計算與標識圖

圖4 像控點布設(shè)與精度估算圖

圖5 POS文件一鍵快速整理與坐標轉(zhuǎn)換圖

2.4 影像預處理與跨平臺格式轉(zhuǎn)換

針對無人機搭載的非量測型航攝儀，根據(jù)相機檢校參數(shù)對原始影像進行嚴密的畸變誤差糾正是第一步預處理，立體測圖階段可有效消除立體模型上下視差，是測圖高程精度達標的關(guān)鍵步驟。系統(tǒng)支持北京普洛特UP系列、成都縱橫系列等主流自駕儀原始POS格式的坐標轉(zhuǎn)換、影像格式轉(zhuǎn)換、影像文件批命名，確保航內(nèi)人員可簡潔、直觀地進入空三工序。POS文件一鍵整理與坐標轉(zhuǎn)換功能如圖5所示。不同的攝影測量工作站需要的影像格式各有不同，有時為提高匹配效率，需要多次匹配，需要降采樣影像；調(diào)繪片制作也需要重采樣影像并轉(zhuǎn)換格式?jīng)_印，該功能可以實現(xiàn)批量自動轉(zhuǎn)換。

2.5 航攝數(shù)據(jù)歸檔與航攝報告自動生成

航攝數(shù)據(jù)歸檔依據(jù)文獻[8-9]制定無人機航攝資料歸檔模板，基于程序把相關(guān)航線設(shè)置和整理后的資料進行航攝報告自動生成，減少航攝人員大量人工整理時間，并使得歸檔資料和航攝報告的標準化批量輸出，軟件輸出的制式歸檔資料清單模板見圖6。

圖6 歸檔資料清單模板圖

3 結(jié) 語

軟件在實際生產(chǎn)中經(jīng)航內(nèi)和航外人員持續(xù)測試與修改，累計航攝生產(chǎn)優(yōu)于0.18 m高分辨率低空遙感影像近10 500張，航攝測制大比例尺地形圖(1∶2 000)面積約1 200 km2。無人機航攝自動化處理系統(tǒng)以航攝工程為基本管理單元，基于數(shù)據(jù)庫管理方式實現(xiàn)無人機航線設(shè)計、飛行監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動整理與質(zhì)檢、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、像控點自動布點優(yōu)化、航攝數(shù)據(jù)跨平臺轉(zhuǎn)換、航攝成果標準化歸檔等功能，有效銜接航外工作和航內(nèi)空三工序，大幅降低航攝成本，明顯提升航攝效率，實現(xiàn)了航攝產(chǎn)品提交和歸檔的標準化。軟件涉及的航攝相機型號與參數(shù)、自駕儀數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出接口格式適用于市場諸多主流硬件和航測軟件銜接，同時開放了自定義參數(shù)設(shè)置，軟件具備較強的行業(yè)推廣應用價值。