陳立春

摘要：無人機系統(tǒng)作為地球觀測的基礎(chǔ)設(shè)施之一，以其機動性、高速性、靈活性、經(jīng)濟性等顯著的技術(shù)優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于國家經(jīng)濟建設(shè)的各個領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)監(jiān)測、資源開發(fā)、災(zāi)害應(yīng)急處理等。該文以實際工程為例，闡述了在eBee無人機的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)的無人機數(shù)據(jù)處理軟件UASMaster制作數(shù)字正射影像地圖的方法和技巧。最后，通過兩種方法詳細(xì)分析了DOM的精度，將DOM與區(qū)域的現(xiàn)有DLG重疊，并將現(xiàn)有1：1000比例DLG的點與立體模型的相應(yīng)檢查點進(jìn)行對比。

關(guān)鍵詞：無人機 UASMaster 數(shù)字正射影像地圖 精度分析

Research on Image Processing Technology of Low Altitude UAVs

CHEN Lichun

（Xiamen Jointsurvey Information Technology Co.， Ltd.，Mingxi， Fujian Province， 361008 China）

Abstract： As one of the earth observation infrastructure， UAV system has been widely used in various fields of national economic construction， such as agricultural monitoring， resource development， disaster emergency response and so on， due to its remarkable technical advantages of mobility， high speed， flexibility and economy. ?Taking an actual engineering as a case study in this paper， it expounds the method and skill of making digital orthophoto map by using professional UAV data processing software UASMaster on the basis of eBee UAV. Finally， the accuracy of DOM is analyzed in detail through two methods， the DOM is overlapped with the existing DLG of the region， and the points of the existing 1：1000 DLG are compared with the corresponding checkpoints of the stereo model.

Key Words： UAV; UASMaster; Digital orthophoto map; Precision analysis

UAV是無人機的簡稱，利用無線遙控裝置和程控裝置進(jìn)行自主飛行。無人機系統(tǒng)在設(shè)計和優(yōu)化組合方面有許多突出的特點，它集成了空中拍攝、遙控、遙感技術(shù)、視頻圖像微波傳輸、計算機圖像信息處理等新的應(yīng)用技術(shù)[1]。無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低、周期短、能夠快速獲取圖像數(shù)據(jù)等優(yōu)點。由無人機圖像生成的數(shù)字正射影像圖，既具有幾何精度，又具有圖像特征，還可以進(jìn)行各種專業(yè)信息的提取、統(tǒng)計和分析，為整個經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展提供服務(wù)[2]。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，其在對地觀測系統(tǒng)中的地位越來越重要。無人機（UAV）對地觀測系統(tǒng)包括準(zhǔn)備、飛行、數(shù)據(jù)采集和處理、最終產(chǎn)品等。為了獲得可靠的信息數(shù)據(jù)，需要對其中的所有過程進(jìn)行質(zhì)量控制，特別是對圖像數(shù)據(jù)的處理。無人機（UAV）在飛行過程中會受到氣流和風(fēng)向的影響，姿態(tài)角和航向會產(chǎn)生偏差，圖像的旋轉(zhuǎn)角度和重疊度不夠穩(wěn)定，尤其是非測量數(shù)碼相機[3]。而且航拍照片存在尺寸小、數(shù)量多、基線短、重疊不規(guī)則、傾角大等問題，這些都在一定程度上影響了圖像的處理精度，因此傳統(tǒng)的攝影測量方法很難完全應(yīng)用于無人機圖像處理。該文結(jié)合福建某試驗區(qū)UASMaster軟件的使用，介紹和探討了無人機數(shù)據(jù)處理的方法和技巧。

1 UASMASTER系統(tǒng)

Trimble開發(fā)的UASMaster，專注于無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它集成了Inpho的所有功能模塊[4]，如空中三角測量、DTM/DSM提取和編輯、圖像正射校正、圖像拼接和勻色等，如圖1所示。對于沙漠、森林、山地、耕地，UASMaster無需人工添加和編輯即可提取連接點，極大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，為數(shù)字?jǐn)z影測量的全過程提供了很好的解決方案。UASMaster系統(tǒng)將DEM、DOM的快速采集與基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)融為一體，簡化了操作方式，加快了生產(chǎn)速度，提高了生產(chǎn)效率，能夠充分滿足辦公室無人機數(shù)據(jù)處理和各種應(yīng)急測繪的需要。

利用UASMaster的移動工作站和拇指大小的軟件狗，無人機應(yīng)急測繪采集的快速DEM/DSM和DOM結(jié)果可以在野外或應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)場完成[5]。DOM的輸出被放入項目文件夾并自動命名為“mosaic.tif”，主要流程如圖1所示。

2應(yīng)用項目

3.1 數(shù)據(jù)獲取

從圖1可以看出，生成數(shù)字正射影像地圖（DOM）需要以下數(shù)據(jù)。

攝像機校準(zhǔn)報告。從報告中可以了解通用數(shù)碼相機的內(nèi)部方位元素、固有光學(xué)畸變參數(shù)等，這些將有助于在創(chuàng)建項目時輕松定義相機。如果軟件中有預(yù)定義功能，也可以選擇相機。

圖像和GNSS/IMU數(shù)據(jù)。GNSS/IMU數(shù)據(jù)可從無人機飛行控制系統(tǒng)讀取，并可根據(jù)ID、X、Y、Z、ω、φ、Kappa進(jìn)行編輯，并且GNSS/IMU數(shù)據(jù)的ID應(yīng)與圖像ID關(guān)聯(lián)并保持一致。

地面控制點。地面控制點應(yīng)根據(jù)測繪精度要求和測區(qū)實際情況布設(shè)，并在飛行前利用GPS測量三維坐標(biāo)，用于三角測量。在項目中導(dǎo)入所有數(shù)據(jù)后，可根據(jù)“條帶生成向?qū)А鄙烧掌谐?，然后初始化圖像以完成項目的建立，無任何剩余錯誤，或可在“項目驗證程序”中獲取已宣布警告和錯誤的詳細(xì)信息。

3.2 空中三角測量

UASMaster可以自動提取和匹配相鄰航拍照片和相鄰條帶的重疊部分，將孤立的航拍照片連接成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然后利用GCP和聯(lián)絡(luò)點數(shù)據(jù)，通過共線方程和自動平差求出航拍照片的姿態(tài)參數(shù)和曝光位置。最終獲得每張航拍照片的外部方位元素。這些為圖像校正提供了最基本的參數(shù)[6]。在UASMaster中，控制點測量可以在連接點提取之前或之后進(jìn)行，但在需要穩(wěn)定連接點匹配時，必須事先進(jìn)行測量。

3.3 DTM/DSM提取

UASMaster為DTM提取提供了兩種基本的匹配算法：基于特征的匹配（FBM）和最小二乘匹配（LSM）。FBM是一種非常穩(wěn)健的匹配策略，它只需要粗略近似，而且速度非?？?。相比之下，LSM非常精確，但它需要更好地近似，并且比FBM慢。DSM提取使用基于成本的匹配（CBM）算法策略。在生成過程中，可以為整個項目或定義的點云區(qū)域自動生成。在這些條件下，UASMaster可以自動、準(zhǔn)確地提取測區(qū)的DTM和DSM，為數(shù)字差動校正提供正確的數(shù)據(jù)。由于曲面特征的復(fù)雜性，自動點云生成會導(dǎo)致生成結(jié)果與實際情況之間的偏差，從而導(dǎo)致錯誤的正射鑲嵌生成。UASMaster Edit提供顯示選項，允許輕松檢測可在縱斷面圖或立體視圖中搜索的錯誤。UASMaster Edit還提供選擇工具和修改工具。當(dāng)手動編輯DTM時，應(yīng)該特別注意居住區(qū)、立交橋、水、灌木社區(qū)等。

3.4 正射和鑲嵌生成

UASMaster提供兩種產(chǎn)品：正射影像和真正射影像。基于上述三角測量和DTM編輯結(jié)果，UASMaster提供了一個一鍵工具，可自動完成圖像正射校正、圖像拼接、地理校準(zhǔn)和顏色均勻。從而獲得調(diào)查區(qū)域的DOM（如圖2所示）。同時，利用DTM和特征點、特征線的三維信息也可以得到時差。在TDOM生成中，圖像拼接和顏色均勻可以自動生成遠(yuǎn)離建筑物的接縫線。需要注意的最重要的事情是像素大小，它應(yīng)該表示地面采樣距離。像素大小可以通過以下計算公式輕松計算：

GSD_ground=□（H_0/C ρ_（x，y） ）

其中，H_0表示地面以上的飛行高度，c表示相機的焦距。

該文正射影像的重采樣為0.08m。

4精度評估

該文使用的無人機為瑞士Sensefly公司生產(chǎn)的eBee RTK，數(shù)碼相機為佳能IXUS127HS，CCD尺寸為1.3μm。圖像分辨率為0.08m，正面重疊為80%，側(cè)面重疊為60%，條帶變形為1%，最高飛行高度與最低飛行高度之差為12.4m，完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目視檢查DOM，可以觀察到馬賽克圖像清晰，整體色調(diào)基本一致，并且沒有地面失真、線性特征失真。DOM精度評估通常采用兩種方法。

（1）將DOM與1：1000比例的現(xiàn)有DLG疊置。目視檢查水平精度，DOM可與DLG井重疊，說明水平精度符合圖3所示要求。

（2）協(xié)調(diào)對比。在本實驗中，收集了現(xiàn)有1：1000比例DLG的20個特征點，與立體模型中的對應(yīng)點進(jìn)行比較，如表1所示。從表中可以看出，X和Y坐標(biāo)值之間的差值在0.4m以內(nèi)，結(jié)果滿足點均方誤差兩倍的要求。從上述兩種方法的對比結(jié)果來看，水平精度完全達(dá)到了1：1000（±0.5m）的要求。實踐證明，UASMaster軟件生成DOM可靠有效，操作簡單，生產(chǎn)完全可以滿足無人機辦公室數(shù)據(jù)處理和各種應(yīng)急測繪的需要。

5結(jié)語

該文介紹的UASMaster系統(tǒng)以無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為核心，自動化程度高，結(jié)果令人滿意，特別是在圖像匹配、DTM/DSM提取、圖像拼接和顏色均勻等方面，但對初始數(shù)據(jù)的精度要求較高。介紹了UASMaster系統(tǒng)在無人機數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，并對DOM的精度進(jìn)行了分析?？梢韵嘈盼磥黼S著無人機技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷提高，無人機低空攝影測量技術(shù)將在改善測繪成果現(xiàn)狀、增強測繪應(yīng)急服務(wù)供給能力方面發(fā)揮巨大作用，并將越來越廣泛地應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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[5]沈鈺.基于特征的無人機河湖圖像智能處理系統(tǒng)[D].南京：南京師范大學(xué)，2019.

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