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        基于PixelGrid的無人機(jī)影像DOM制作存在問題及對(duì)策*

        2021-07-15 03:27:12杜金莉
        地礦測(cè)繪 2021年2期
        關(guān)鍵詞:該軟件畸變成果

        杜金莉

        (安徽省第一測(cè)繪院,安徽 合肥 230031)

        0 引言

        國(guó)內(nèi)進(jìn)行航測(cè)內(nèi)業(yè)作業(yè)的軟件很多,比較成熟且使用時(shí)間較長(zhǎng)的軟件有原武漢測(cè)繪科技大學(xué)張祖勛團(tuán)隊(duì)開發(fā)的全數(shù)字化攝影測(cè)量系統(tǒng)VirtuoZo和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格(DPGrid)、北京四維遠(yuǎn)見公司研發(fā)的JX4(目前已有升級(jí)版JX5)、武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司研發(fā)的MapMatrix等,國(guó)外軟件如像素工廠、inpho等發(fā)展也很成熟。這些軟件開發(fā)時(shí)都是適用于航空攝影測(cè)量的專業(yè)可量測(cè)相機(jī)航攝的影像??闪繙y(cè)相機(jī)經(jīng)過嚴(yán)格的相機(jī)檢校,有精準(zhǔn)的相機(jī)參數(shù),像片畸變差小。隨著低空攝影測(cè)量的發(fā)展,無人機(jī)航攝影像因獲取的便利、快速,被很多生產(chǎn)單位大量應(yīng)用。無人機(jī)因?yàn)樽灾剌^輕,一般都是搭載民用短焦距的非量測(cè)相機(jī),其拍攝的影像畸變差大,邊緣變形較大,空三加密經(jīng)常不合格,直接導(dǎo)致用無人機(jī)影像生產(chǎn)的DOM精度不高,需要專門的軟件對(duì)其進(jìn)行處理。

        PixelGrid-AEO數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā)的一款針對(duì)多種航空影像進(jìn)行攝影測(cè)量處理的軟件,包括無人機(jī)航空影像、ADS40/80/100影像[1]。該軟件采用基于RFM通用成像模型的遙感影像稀少控制區(qū)域網(wǎng)平差、基于多基線多重匹配特征的高精度數(shù)字高程模型自動(dòng)匹配、高精度影像地圖制作與拼接等技術(shù)開發(fā)的新一代遙感影像處理軟件,構(gòu)建集群分布式網(wǎng)絡(luò),采用計(jì)算機(jī)多核并行處理,自動(dòng)化和人工編輯相結(jié)合的作業(yè)方式,可以進(jìn)行多種航空影像的空三加密、DEM、DOM等產(chǎn)品的生產(chǎn)[2]。

        1 基于PixelGrid軟件的DOM制作方法

        利用PixelGrid軟件制作DOM的流程,見圖1。

        圖1 基于PixelGrid的DOM制作流程圖Fig.1 DOM production flow based on PixelGrid

        1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及畸變糾正

        作業(yè)前需要準(zhǔn)備相機(jī)的檢校文件、原始TIFF影像,控制點(diǎn)成果數(shù)據(jù)等資料。注意:在該程序里*cam文件默認(rèn)坐標(biāo)原點(diǎn)在左上角,如果飛行提供的坐標(biāo)原點(diǎn)是左下角的話,則需要對(duì)y0進(jìn)行轉(zhuǎn)換。左下角轉(zhuǎn)為左上角的轉(zhuǎn)換公式為:

        y0左上角=行數(shù)-1-y0左下角

        (1)

        因無人機(jī)搭載的非量測(cè)相機(jī)拍攝的影像邊緣存在畸變,需對(duì)影像進(jìn)行畸變差校正,才能進(jìn)行空中三角測(cè)量[3]。這里需要輸入測(cè)區(qū)的航攝信息和參數(shù)文件,進(jìn)行大起折光差改正、地球曲率改正。平差允許迭代最大次數(shù)可以設(shè)為20,平差迭代停止時(shí)變化量給0.05;設(shè)置相機(jī)檢校參數(shù)文件*.cmr:主點(diǎn)坐標(biāo)、相機(jī)焦距、像素大小、影像行列數(shù)等,導(dǎo)入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。參數(shù)輸入完畢即可進(jìn)行畸變糾正。

        1.2 空中三角測(cè)量

        空中三角測(cè)量主要是連接點(diǎn)量測(cè)及區(qū)域網(wǎng)平差。具體步驟:預(yù)先生成金字塔及索引影像→影像自動(dòng)內(nèi)定向→航帶間初始偏移量確定→自動(dòng)相對(duì)定向及模型連接→連接點(diǎn)編輯及量測(cè)→自由網(wǎng)平差→加控制點(diǎn)平差,計(jì)算合格后輸出空三成果。

        在進(jìn)行自動(dòng)相對(duì)定向及模型連接時(shí)如果中途出錯(cuò)或退出,再次作業(yè)時(shí)可以從上次出錯(cuò)斷點(diǎn)開始運(yùn)行自動(dòng)相對(duì)定向及模型連接,如果模型連接有失敗的,則在“連接點(diǎn)編輯及量測(cè)”內(nèi)修改。自由網(wǎng)平差計(jì)算時(shí)需要人工刪除粗差大的點(diǎn),需要?jiǎng)h除直至剩余的粗差都在2-3個(gè)像素以內(nèi),剩余粗差需要調(diào)出影像人工修測(cè)至正確點(diǎn)位,多次解算直至滿足規(guī)范要求。

        1.3 DEM的制作

        DEM制作前需要進(jìn)行影像格式轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)處理,生成黑白影像。注意此時(shí)應(yīng)該選擇經(jīng)畸變差糾正后的影像。生成后做分布式數(shù)據(jù)處理,自動(dòng)影像匹配及DEM生成,完成后進(jìn)行DEM拼接。生成DEM后需要對(duì)DEM進(jìn)行編輯、濾波,建議全局濾波時(shí)坡度閾值給40-50度,后做局部濾波時(shí)閾值給10-30度。編輯DEM時(shí)也可以選擇高程重置,此時(shí)高程是按所選區(qū)域的平均高程重置,一般只適合地形平坦地區(qū),故選擇高程重置時(shí)所選區(qū)域不能太大,否則容易導(dǎo)致高程失真。

        1.4 DOM制作及影像處理

        DOM生成前需要進(jìn)行影像勻光處理,注意勻光時(shí)應(yīng)添加畸變糾正后的原始影像,再進(jìn)行影像格式轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)處理,此時(shí)選擇勻光后的TIFF。后進(jìn)行正射影像生成及拼接,添加影像后會(huì)生成拼接線,如自動(dòng)生成的拼接線沒有避開建筑物,可以手工編輯修改拼接線,為了避免DOM錯(cuò)位、重影、模糊,便于影像后期的色彩處理,編輯拼接線時(shí)需要避開未糾正的地物,如建筑物、路燈等,拼接線盡量沿線狀地物一側(cè)或塊狀地物邊緣分布,拼接時(shí)輸入羽化寬度。因無人機(jī)航攝航高低,投影差大,邊緣變形較大,外加無人機(jī)航攝影像一般重疊度都較大,為了提高精度、保證DOM影像效果,編輯拼接線時(shí)盡量避開邊緣區(qū)域。最后進(jìn)行DOM分幅裁切,可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求裁切成標(biāo)準(zhǔn)分幅或任意大小的DOM。

        2 應(yīng)用實(shí)例

        本項(xiàng)目為數(shù)字明光1∶1 000DOM的制作,面積為200 km2,測(cè)區(qū)地形為丘陵地。

        2.1 項(xiàng)目概況及作業(yè)情況

        項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)要求DOM的精度如表1規(guī)定,最大誤差不大于兩倍中誤差。

        表1 DOM平面位置中誤差

        項(xiàng)目利用縱橫固定翼無人機(jī)搭載索尼A7R2相機(jī)進(jìn)行低空攝影,共飛行9個(gè)架次,獲得航片6 604張,影像地面分辨率0.1 m,像幅大小為7 952*5 304像素,成果比例尺為1∶1 000。DOM生產(chǎn)投入人員3人,利用PixelGrid軟件,從空三加密到DOM成果耗時(shí)約30 d。本項(xiàng)目已有DEM成果,可以直接用來生成DOM,在DEM匹配及修測(cè)上沒有花費(fèi)時(shí)間,時(shí)間花費(fèi)較多的主要是空三加密的控制點(diǎn)量測(cè)及DOM影像按像對(duì)拼接的后續(xù)處理。

        2.2 質(zhì)量檢查

        本項(xiàng)目利用網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)測(cè)的高精度外業(yè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)與DOM上的同名點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè),共檢查點(diǎn)數(shù)51個(gè),其中小于1倍中誤差0.6 m(實(shí)地)的有31個(gè)點(diǎn),占60.8%;大于1倍小于2倍中誤差1.2 m(實(shí)地)的有20個(gè)點(diǎn),占39.2%。同精度檢測(cè)圖幅點(diǎn)位中誤差計(jì)算為0.59 m(實(shí)地),圖幅最大點(diǎn)位誤差為0.86 m(實(shí)地)。由此可以看出,DOM成果滿足精度要求。

        3 該軟件制作DOM的優(yōu)缺點(diǎn)

        利用該軟件對(duì)無人機(jī)影像進(jìn)行DOM制作的顯著優(yōu)勢(shì)是有影像畸變差糾正功能,可以解決非量測(cè)相機(jī)航攝影像的邊緣變形,經(jīng)過糾正的影像再匹配模型連接點(diǎn)及區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算時(shí)能獲得合格的成果,能有效保證空三加密成果和DOM成果的精度。另外,軟件可以多核并行計(jì)算、分布式并行處理,能有效提升數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率。

        同時(shí)該軟件在作業(yè)中也存在不足之處,具體如下:

        1)PixelGrid軟件在生產(chǎn)時(shí),每一步都會(huì)生成核線影像這個(gè)過渡文件,且每一步驟生成的過渡文件的數(shù)據(jù)量都較大,會(huì)造成兩個(gè)問題。一是占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存,二是需要人工點(diǎn)擊生成核線影像造成作業(yè)步驟繁瑣。

        2)PixelGrid軟件進(jìn)行DEM匹配時(shí)間較長(zhǎng),DEM匹配成功后需要人工對(duì)DEM進(jìn)行編輯處理,該軟件DEM匹配的精度僅能滿足生產(chǎn)DOM使用,精度不高。如果需要高精度的DEM數(shù)據(jù),需要對(duì)DEM進(jìn)行立體修測(cè),工作量大。

        4 存在問題的解決方法

        針對(duì)該軟件在DOM生產(chǎn)過程中存在的問題,筆者根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出了一些對(duì)應(yīng)的解決方法:

        1)區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)如果精度超限,則應(yīng)在進(jìn)行空三加密最后一遍帶控制點(diǎn)的平差計(jì)算時(shí),不要選中粗差剔除工具,否則平差計(jì)算時(shí)會(huì)把粗差平均賦值到整個(gè)區(qū)域網(wǎng)內(nèi),造成粗差點(diǎn)無法準(zhǔn)確顯示,由此造成精度損失。

        2)模型連接生成的文件在放在測(cè)區(qū)目錄下的connectBackupDir的文件夾內(nèi),如果模型連接提示有失敗的,則整條航帶模型間的公共點(diǎn)都不生成,需要人工修改錯(cuò)誤后再次做“相對(duì)定向及模型連接”。

        3)自由網(wǎng)平差后需要?jiǎng)h除錯(cuò)誤點(diǎn)和計(jì)算殘差大的點(diǎn)再進(jìn)行自由網(wǎng)平差,需要反復(fù)6-10次,根據(jù)自動(dòng)點(diǎn)匹配結(jié)果,若測(cè)區(qū)影像質(zhì)量差、紋理不豐富,則自動(dòng)點(diǎn)匹配效果差,需要重復(fù)該步驟多次;若自動(dòng)點(diǎn)匹配結(jié)果好,則可以減少重復(fù)操作次數(shù)。注意刪除大粗差點(diǎn)時(shí)有時(shí)會(huì)誤刪除標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位點(diǎn),最后需要檢查標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位點(diǎn),如缺失則人工選取。

        4)因軟件存在過渡文件多占用內(nèi)存的情況,建議在作業(yè)前特別是大測(cè)區(qū)作業(yè)前檢查機(jī)器內(nèi)存,給機(jī)器配置大容量硬盤,一般需要配置比原始影像大5倍左右的內(nèi)存空間,否則等作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不夠時(shí)再去更換硬盤會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

        5)存在DEM自動(dòng)匹配精度不高的情況,如果需要高精度的DEM數(shù)據(jù),建議對(duì)DEM進(jìn)行立體修測(cè),也可以將DEM導(dǎo)入到其他軟件中進(jìn)行立體修測(cè)。此外,現(xiàn)在大部分省測(cè)繪地理信息局一萬基礎(chǔ)測(cè)繪的3D成品基本達(dá)到全覆蓋,每個(gè)省的市級(jí)數(shù)字城市建設(shè)也有精細(xì)化DEM成果,建議生產(chǎn)單位可以根據(jù)需求在生產(chǎn)DOM時(shí)選用現(xiàn)有DEM成果,將DEM與實(shí)際地形變化部分采取軟件自動(dòng)匹配的方式,這樣可以大大減少工作量。

        5 結(jié)束語

        經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè),驗(yàn)證了PixelGrid軟件生產(chǎn)的DOM精度符合設(shè)計(jì)要求。本文總結(jié)了該軟件在DOM制作中的優(yōu)缺點(diǎn)及生產(chǎn)中常見的問題及其解決方法,生產(chǎn)單位既可根據(jù)自身軟件配置情況,選用PixelGrid軟件進(jìn)行無人機(jī)影像的DOM生產(chǎn),也可以根據(jù)該軟件的優(yōu)缺點(diǎn)僅利用該軟件進(jìn)行部分工序的生產(chǎn),同時(shí)結(jié)合其他航測(cè)軟件協(xié)同作業(yè)。

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