， ， ，

(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2. 西北測(cè)繪職工培訓(xùn)中心， 陜西 西安 710054；

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，各地區(qū)、各部門(mén)為適應(yīng)發(fā)展的總體需求，無(wú)論在綜合規(guī)劃、國(guó)土整治監(jiān)控還是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)、環(huán)保和生態(tài)建設(shè)等社會(huì)發(fā)展的各方面，對(duì)地形地物資料的現(xiàn)勢(shì)性、精度、周期的需求越來(lái)越高，已成為急待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取手段越來(lái)越顯現(xiàn)出其局限性：衛(wèi)星影像的采集周期長(zhǎng)，時(shí)相難以保證，且影像分辨率通常不能應(yīng)用于大比例尺測(cè)圖；傳統(tǒng)航空遙感主要采用大中型固定翼飛機(jī)，受空域管制及天氣的制約，對(duì)于測(cè)區(qū)面積小、成圖周期短的測(cè)繪工程及應(yīng)急項(xiàng)目也不適應(yīng)。在這種需求下，無(wú)人飛行器遙感系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為中小城市特別是城、鎮(zhèn)、縣、鄉(xiāng)等地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和文化建設(shè)提供了行之有效的手段。

無(wú)人飛行器( Unmanned Aerial Vehicles，UAV) ,又稱(chēng)無(wú)人駕駛飛行器，主要包括固定翼無(wú)人機(jī)、直升無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇等。無(wú)人飛行器遙感系統(tǒng)是一種靈活迅速、成本低廉的小型化、專(zhuān)用化的遙感系統(tǒng)。它以無(wú)人駕駛飛行器為飛行平臺(tái)、以高分辨率數(shù)字遙感設(shè)備為機(jī)載傳感器獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)，具有快速、實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)能力，能夠定點(diǎn)起飛、降落，對(duì)起降場(chǎng)地的條件要求不高，其飛行通過(guò)無(wú)線(xiàn)電遙控或通過(guò)機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)程控，可按預(yù)定飛行航線(xiàn)自主飛行、拍攝。同時(shí)，無(wú)人飛行器可以在云下飛行，減小了天氣對(duì)作業(yè)的影響。可廣泛應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)情監(jiān)測(cè)、地形圖更新與地籍測(cè)量、海洋資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、交通等部門(mén)。

無(wú)人飛行器遙感系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)，已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。但是，與傳統(tǒng)的航空遙感系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)也存在其自身的缺陷。首先，無(wú)人飛行器遙感系統(tǒng)一般采用普通的商業(yè)數(shù)碼相機(jī)作為傳感器，這類(lèi)相機(jī)沒(méi)有經(jīng)過(guò)標(biāo)定，鏡頭畸變往往較大，在對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理時(shí)必需予以考慮。除此之外，無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)獲取的影像存在像幅小、數(shù)量多、基線(xiàn)短、重疊度不規(guī)則且傾角過(guò)大等問(wèn)題[3]，影像的重疊度和飛行航線(xiàn)不符合航空攝影的規(guī)范，且所附帶的POS數(shù)據(jù)也較傳統(tǒng)的載人飛機(jī)精度低，無(wú)法按照常規(guī)的航空遙感數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行后續(xù)處理，對(duì)其遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用造成了一定的制約。

高分辨率遙感影像一體化測(cè)圖系統(tǒng)PixelGrid是由中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院在“十一五”期間自主研發(fā)的一套遙感影像快速處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)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)合的方式，完成遙感影像從空中三角測(cè)量到各種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比例尺的DSM、DEM、DOM等產(chǎn)品的生產(chǎn)。被譽(yù)為國(guó)產(chǎn)的“像素工廠”。該系統(tǒng)主要包括航空影像處理模塊、無(wú)人機(jī)影像處理模塊、衛(wèi)星影像處理模塊和推掃式影像處理模塊。

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)遙感影像處理方法的可行性，本文利用PixelGrid系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取的實(shí)際航攝資料進(jìn)行處理試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)資料簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)軟、硬件環(huán)境

本次試驗(yàn)采用DELL工作站(3.4G 12核 24G內(nèi)存)，操作環(huán)境為Windows XP 64位操作系統(tǒng)。

軟件采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā)的高分辨率遙感影像一體化測(cè)圖系統(tǒng)PixelGrid4.0版本。區(qū)域網(wǎng)平差解算軟件采用PAT-B。

1.2 試驗(yàn)區(qū)基本資料

試驗(yàn)區(qū)為攝于2012年7月的陜西某測(cè)區(qū)無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)。測(cè)區(qū)的無(wú)人機(jī)航空攝影系統(tǒng)為中測(cè)新圖生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)搭載普通家用的Canon EOS 5DmarkII數(shù)碼相機(jī)，具體性能指標(biāo)如表1所示：

表1 佳能數(shù)碼相機(jī)參數(shù)表

本次試驗(yàn)共3個(gè)架次，影像為彩色航攝，按西北→東南方向飛行，共計(jì)1 508張影像。獲取的影像紋理清晰、反差適中。影像的攝影航線(xiàn)分布如圖1所示。

圖1 攝影航線(xiàn)分布圖

試驗(yàn)區(qū)的像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)，在6個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用GPS-RTK方法進(jìn)行像控測(cè)量，平面坐標(biāo)采用地方抵償坐標(biāo)系，高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。按照低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范的要求，地面控制點(diǎn)平面位置相對(duì)于附近高等級(jí)控制點(diǎn)的位置中誤差不超過(guò)±0.2 m，高程中誤差不大于0.15 m。

1.3 試驗(yàn)技術(shù)流程

技術(shù)處理流程如圖2所示。

2 技術(shù)處理流程

2.1 畸變差改正

因本試驗(yàn)相機(jī)為非量測(cè)相機(jī)，所以必須對(duì)其進(jìn)行畸變差校正后才能進(jìn)行空三加密。

本項(xiàng)目獲取的相機(jī)檢校文件包括：像主點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)、焦距(f)、像元大小、徑向畸變系數(shù)(k1，k2)、偏心畸變系數(shù)(p1，p2)與CCD非正方形比例系數(shù)和CCD非正交性畸變系數(shù)(alfa，bate)、像方坐標(biāo)系等(單位:mm)。

利用PixelGrid系統(tǒng)的“無(wú)人機(jī)航空影像畸變改正”模塊，進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置后，可完成無(wú)人飛行器遙感影像的畸變差校正。

圖2 技術(shù)處理流程圖

2.2 工程創(chuàng)建

工程文件建立時(shí)，作業(yè)區(qū)域參數(shù)文件一定要設(shè)置正確，包括工程目錄、攝影比例、相機(jī)檢校參數(shù)文件以及內(nèi)定向、相對(duì)定向、模型連接限差、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等。參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框見(jiàn)圖3。因影像已經(jīng)過(guò)畸變改正，此時(shí)的相機(jī)文件設(shè)置中主點(diǎn)坐標(biāo)(PPA)應(yīng)設(shè)置為0。

2.3 空三加密

2.3.1 空三過(guò)程 工程創(chuàng)建完成后，進(jìn)入?yún)^(qū)域網(wǎng)平差操作菜單，依次完成影像自動(dòng)內(nèi)定向、全自動(dòng)相對(duì)定向、全自動(dòng)高可靠性模型連接、航帶間初始偏移量確定及航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)等工作。需注意的是在全自動(dòng)相對(duì)定向中會(huì)出現(xiàn)相對(duì)定向失敗的模型，需人工干預(yù)進(jìn)行模型相對(duì)定向。對(duì)于模型連接和航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)錯(cuò)誤的模型，同時(shí)需要人工干預(yù)進(jìn)行錯(cuò)誤修正。轉(zhuǎn)點(diǎn)完成后須調(diào)用PAT-B軟件，剔除粗差并進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至像點(diǎn)誤差在1個(gè)像素內(nèi)。

圖3 參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框

在立體環(huán)境下，進(jìn)行控制點(diǎn)的量測(cè)，并與加密點(diǎn)一起進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差解算，滿(mǎn)足項(xiàng)目精度要求后提交。

2.3.2 空三結(jié)果分析 為檢測(cè)無(wú)人飛行器遙感影像的空三加密的精度，將外業(yè)實(shí)測(cè)的野外控制點(diǎn)三維坐標(biāo)作為“真值”，將區(qū)域網(wǎng)平差中自行計(jì)算得到野外控制點(diǎn)三維坐標(biāo)作為“計(jì)算值”，統(tǒng)計(jì)“真值”與“計(jì)算值”的較差，分別計(jì)算基本定向點(diǎn)與檢查點(diǎn)的實(shí)際精度。無(wú)人飛行器遙感影像的空三加密的精度列入表2。

表2 空三加密精度表 單位：m

由表2可以看出：試驗(yàn)中，空三加密基本定向點(diǎn)的平面方向最大誤差為1.484 m，中誤差為0.603 m，高程方向最大誤差為0.665 m，中誤差為0.265 m；檢查點(diǎn)的平面方向最大誤差為1.650 m ，中誤差為0.796 m，高程方向最大誤差為0.508 m，中誤差為0.251 m，完全滿(mǎn)足《低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中1∶2 000的丘陵地形中基本定向點(diǎn)的平面限差不超過(guò)1.5 m、高程限差不超過(guò)0.8 m，多余控制點(diǎn)的平面限差不超過(guò)1.75 m、高程限差不超過(guò)1.0 m的要求。

綜合試驗(yàn)可以看出：無(wú)人機(jī)影像雖然存在飛行不穩(wěn)定、旋偏角大等問(wèn)題，但通過(guò)布設(shè)合理的像控點(diǎn)，其加密成果完全可以達(dá)到《低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》規(guī)定的空三精度要求，可用于后續(xù)的1∶2 000 DOM制作與立體測(cè)圖。

2.4 DOM制作

2.4.1 DEM生成 因PixelGrid系統(tǒng)系統(tǒng)在DSM匹配中采用RAW格式影像，加密完成后需要進(jìn)行影像格式的轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)，增強(qiáng)的目的是為了提高DSM匹配的可靠性。在DEM匹配時(shí)可以采用分布式數(shù)據(jù)處理，可以選用單機(jī)多核或多機(jī)多核，以提高匹配效率。圖4為DSM匹配窗口。匹配完成的DSM經(jīng)濾波或立體交互編輯，得到影像正射糾正所用的DEM。

圖4 DSM匹配窗口

2.4.2 DOM制作 基于DEM數(shù)據(jù)，采用分布式數(shù)據(jù)處理方式，完成單張影像的正射糾正。通過(guò)影像拼接處理，完成區(qū)域DOM的拼接工作。最后批處理裁切得到以圖幅為單位的正射影像成果數(shù)據(jù)。圖5為拼接完成的區(qū)域正射影像圖。

圖5 區(qū)域正射影像圖

2.4.3 DOM精度分析 利用PixelGrid影像處理系統(tǒng)，根據(jù)無(wú)人機(jī)影像空三加密完成后的有關(guān)數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行自動(dòng)影像匹配并全自動(dòng)方法生成DSM，并去除地表信息得到DEM；再利用生成的DEM與空三加密成果，對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行正射糾正，自動(dòng)生成DOM，并進(jìn)行自動(dòng)拼接、裁切，最終得到1∶2 000比例尺的標(biāo)準(zhǔn)圖幅DOM成果。

為了評(píng)定無(wú)人機(jī)影像制作的DOM成果的精度，本文利用檢查點(diǎn)進(jìn)行了精度檢測(cè)。

利用XBchecker軟件，將DOM上讀取的檢查點(diǎn)的坐標(biāo)與外業(yè)提供的檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行比較，并統(tǒng)計(jì)其較差的中誤差，得到自動(dòng)生產(chǎn)的DOM的精度。DOM的精度結(jié)果列入表3。

表3 DOM精度檢測(cè)表 單位：m

由表3可見(jiàn)：試驗(yàn)中DOM成果的單點(diǎn)最大誤差為1.36 m，中誤差為0.57 m，可以滿(mǎn)足《1∶2000數(shù)字正射影像圖》平面位置中誤差平地、丘陵地不大于2.5 m的規(guī)定。

2.4.4 DOM精度分析 僅僅是用另外一種質(zhì)檢軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，所用到的數(shù)據(jù)，全部為同一組數(shù)據(jù)，

3 結(jié) 語(yǔ)

采用PixelGrid系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)影像處理的流程和方法，并通過(guò)對(duì)DOM成果精度的檢測(cè)，說(shuō)明該處理方法是有效地、可靠的。

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