葛洪濤

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低空無(wú)人機(jī)影像的獲取與處理

葛洪濤

（新疆維吾爾自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心 新疆烏魯木齊 830002）

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用具有高時(shí)效、低成本等特點(diǎn)，在三維重建等方面應(yīng)用廣泛，但在數(shù)據(jù)處理中也存在一些問(wèn)題。現(xiàn)以無(wú)人機(jī)影像處理項(xiàng)目為例，首先說(shuō)明無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的獲取與特點(diǎn)，其次對(duì)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)方法、流程及關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，并對(duì)處理后的結(jié)果進(jìn)行分析。

航空影像 攝影測(cè)量 空中三角測(cè)量

1 引言

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)獲取的要求都越來(lái)越高，其中包括資源管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)、考古及地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。使用衛(wèi)星遙感獲取影像的手段經(jīng)常會(huì)因?yàn)樘鞖鈼l件、高度及重訪周期等原因而難于滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，一般的航空攝影成本高昂，對(duì)于緊急任務(wù)有時(shí)難以達(dá)到需求。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，成本低，起降靈活，是對(duì)一般航空攝影測(cè)量技術(shù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)充，并且應(yīng)用廣泛，其中包括國(guó)家重大自然災(zāi)害的應(yīng)急處理、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、土地管理監(jiān)測(cè)和城市建設(shè)規(guī)劃等[1]。

本文闡述了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，獲取與處理影像的方法，對(duì)流程中關(guān)鍵技術(shù)步驟進(jìn)行探討，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行精度分析。

2 無(wú)人機(jī)影像的特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)航空攝影與常規(guī)的大飛機(jī)航空攝影相比，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為飛行平臺(tái)的低空化和相機(jī)的小型。無(wú)人機(jī)根據(jù)種類的不同會(huì)搭載不同的相機(jī)，一般搭載的為非量測(cè)型相機(jī)，所以在飛行前需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校。無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地的要求不高，重量輕、體積小、操控容易易于轉(zhuǎn)場(chǎng)，航攝效率高，能夠獲取大比例尺高精度影像并且飛行審批手續(xù)簡(jiǎn)單，但無(wú)人機(jī)在空中作業(yè)時(shí)容易受到氣流和風(fēng)向的影響，造成飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，航向與飛行前設(shè)定好的航向會(huì)產(chǎn)生偏差，相片旋偏角和重疊度產(chǎn)生偏差，增加了后期圖像處理的難度[1]。

3 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的獲取

無(wú)人機(jī)飛行器遙感系統(tǒng)主要有無(wú)人飛行器平臺(tái)、傳感器系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)五部分。飛行平臺(tái)包括：無(wú)人機(jī)、維護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)包括：小型數(shù)碼相機(jī)、精確標(biāo)定校檢、旋偏改正云臺(tái)及定點(diǎn)攝影技術(shù)。飛控系統(tǒng)是由機(jī)載 GPS、磁航向儀、小型 IMU、氣壓計(jì)、高度計(jì)等組成。遙感傳感器系統(tǒng)、空中自動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)構(gòu)成無(wú)人機(jī)空中部分；航線規(guī)劃系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)構(gòu)成地面監(jiān)控系統(tǒng)。

空中部分的主要工作是對(duì)無(wú)人機(jī)的航線進(jìn)行規(guī)劃并上傳到無(wú)人機(jī)的控制器中以用于監(jiān)控飛機(jī)在飛行中的狀態(tài)。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作為設(shè)計(jì)和規(guī)劃航線，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與飛行中姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收。無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴目刂谱酉到y(tǒng)是利用無(wú)線傳輸通道，地面的監(jiān)控人員可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)更改本次飛行計(jì)劃，例如可以對(duì)部分拍攝不佳的地區(qū)的進(jìn)行補(bǔ)拍，遇到緊急狀況或降落時(shí)，可將飛行狀態(tài)由自動(dòng)切換成手控飛行[2]。

4 無(wú)人機(jī)影像處理方法

4.1 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理方法

空中三角測(cè)量是無(wú)人機(jī)影像處理的關(guān)鍵，首先利用攝影測(cè)量軟件對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的影像進(jìn)行空中三角測(cè)量（空三加密），得到準(zhǔn)確的內(nèi)方位元素并對(duì)其精度進(jìn)行檢測(cè)，利用空三加密定向的成果進(jìn)行高精度匹配編輯獲取數(shù)字表面模型，對(duì)數(shù)字表面模型進(jìn)行過(guò)濾編輯，得到將地表建筑物過(guò)濾干凈的數(shù)字高程模型，再利用數(shù)字高程模型對(duì)影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，得到以圖幅為單位的多幅數(shù)字正射影像，最后拼接成最終的成果數(shù)據(jù)。低空無(wú)人機(jī)影像處理的流程如圖1所示。

4.2 影像處理資料

（1）無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)

（2）對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，得到內(nèi)方位元素其中包括相機(jī)焦距、像主點(diǎn)偏移（X，Y）、徑向畸變差系數(shù)（K1，K2，K3）、切向畸變差系數(shù)（P1，P2，P3）

（3）控制點(diǎn)數(shù)據(jù)包括控制點(diǎn)刺點(diǎn)片，控制點(diǎn)坐標(biāo)文件，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分布20個(gè)地面控制點(diǎn)。

3.3 影像處理關(guān)鍵技術(shù)步驟

（1）由于無(wú)人機(jī)重量輕、體積小，所以在空中飛行時(shí)容易受到氣流和風(fēng)向的影響，導(dǎo)致影像旋偏角和傾斜角過(guò)大，相鄰影像重疊度不穩(wěn)定，例如大于 90% 或小于 50%，所以在對(duì)數(shù)據(jù)做處理之前需要預(yù)先對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是必不可少的，了解整個(gè)測(cè)區(qū)的情況，將變形較大的影像除去，在重疊度過(guò)高的區(qū)域進(jìn)行影像抽稀，重疊度不夠的區(qū)域分航線處理，以減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理的誤差，保證空中三角測(cè)量的精度。

（2）無(wú)人機(jī)航拍一般加載非量測(cè)型相機(jī)，非量測(cè)型相機(jī)體積小攜帶方便，但非量測(cè)型相機(jī)存在較大的相機(jī)畸變，改變了實(shí)際景物的地面位置，焦距與像主點(diǎn)都是未知參數(shù)，需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校得到準(zhǔn)確的內(nèi)方位元素。

（3）空中三角測(cè)量又稱作空三加密，是航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是整個(gè)處理流程中的難點(diǎn)，它的精度結(jié)果直接影響著后期數(shù)字高程模型、數(shù)字地面模型、數(shù)字正射影像的結(jié)果。空中三角測(cè)量的精度估算公式為：

其中X控，Y控，Z控為外業(yè)測(cè)量坐標(biāo)，X加，Y加，Z加為內(nèi)業(yè)加密坐標(biāo)，n為控制點(diǎn)個(gè)數(shù)[3]。

（4）利用空中三角測(cè)量的結(jié)果生成密集點(diǎn)云，得到整個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字地表模型進(jìn)行過(guò)濾，去除人工建筑物和植被等一些地表物，然后經(jīng)過(guò)人工編輯得到干凈的滿足要求的數(shù)字高程數(shù)據(jù)[4]。

（5）數(shù)字正射影像是原始影像經(jīng)過(guò)輻射校正、幾何校正后，消除各種畸變和位移誤差，信息量豐富、細(xì)節(jié)清楚、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的高新技術(shù)產(chǎn)物。數(shù)字正射影像是無(wú)縫鑲嵌，無(wú)影像錯(cuò)位及色彩突變，具有色調(diào)柔和、紋理清晰。整體色調(diào)一致，反差適中的特點(diǎn)[5]。

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)位于新疆維吾爾自治區(qū)某市區(qū)，測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，主要以平地為主，測(cè)區(qū)面積約為85 km2，采用航向重疊度為60％，旁向重疊度為30％，航向方向走向?yàn)闁|西走向，共14條航線， 1193張影像。航空攝影相機(jī)焦距為20mm，影像分辨率6000*4000像素，像元分辨率為3.889um，航攝相對(duì)航高500m，設(shè)計(jì)GSD（航攝像機(jī)CCD一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的地面尺寸大?。?5cm，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共20個(gè)地面控制點(diǎn)。（如圖2所示）。

本文采用的是非量測(cè)性數(shù)碼相機(jī)，一般非量測(cè)相機(jī)是不能提供內(nèi)方位元素的，并且相機(jī)安裝、調(diào)試過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些殘余像差，造成物鏡構(gòu)象畸變，所以在飛行前需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出相機(jī)的畸變參數(shù)和內(nèi)方位元素。采用DLT（直接線性變換方法）對(duì)非量測(cè)型相機(jī)進(jìn)行檢校，計(jì)算出內(nèi)外方位元素（如表1所示）。但非量測(cè)性相機(jī)信息處理周期短，在地形復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行外業(yè)拍攝具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)靈活性。

表1：相機(jī)畸變參數(shù)與內(nèi)方位元素

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)區(qū)結(jié)合控制點(diǎn)空三加密后，對(duì)加密點(diǎn)的精度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯示出加密結(jié)果與外業(yè)像控點(diǎn)點(diǎn)位相差不多，對(duì)20個(gè)地面控制點(diǎn)做中誤差，并對(duì)平面精度和高程精度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明其精度完全符合城市測(cè)量規(guī)范和航空攝影測(cè)量規(guī)范，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2：

表2：空三加密控制點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在試驗(yàn)區(qū)均勻布設(shè)8個(gè)檢查點(diǎn)并對(duì)平面精度和高程精度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明其精度完全符合城市測(cè)量規(guī)范和航空攝影測(cè)量規(guī)范，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3：

表3：空三加密檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)的從量測(cè)結(jié)果中可以看出在無(wú)人機(jī)影像中，平面x中誤差、平面y中誤差、高程z中誤差（m）都符合航空攝影測(cè)量的要求，影像的分辨率為15cm，量測(cè)結(jié)果平面x，y的中誤差都在精度范圍中，高程z值中誤差略大。通過(guò)平差計(jì)算，對(duì)精度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析對(duì)空三加密成果影響的因素有多種，其中主要因素為影像質(zhì)量，影像的飛行質(zhì)量會(huì)影像影像的清晰度、分辨率等；外業(yè)對(duì)像控點(diǎn)的選點(diǎn)、刺點(diǎn)以及對(duì)點(diǎn)的描述情況是否準(zhǔn)確；內(nèi)業(yè)人員加密時(shí)對(duì)像控點(diǎn)點(diǎn)位的判定是否準(zhǔn)確，在不同影像上的點(diǎn)的判位是否一致[6]。

生成 DOM需要利用空三加密后的成果提取DTM，在對(duì)處理過(guò)程中對(duì)影像的亮度和顏色的大幅度變化進(jìn)行了自動(dòng)補(bǔ)償，在單幅影像中計(jì)算輻射平差以補(bǔ)償視覺(jué)效果，通過(guò)調(diào)節(jié)相鄰圖像的匹配度，對(duì)測(cè)區(qū)影像的顏色和亮度進(jìn)行色彩平衡，將多幅影像合并成一個(gè)無(wú)縫的，色彩平衡和的幾何完美的正射鑲嵌圖。將單幅的正射影像拼接成一大塊連續(xù)的正射影像除投影差而帶來(lái)的影像錯(cuò)位現(xiàn)象以及色彩的差異[7]。正射影像如圖3所示。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)拼接線的選取原則總結(jié)如下：①航片航向重疊一般為60%左右、旁向重疊為30%左右的，在選線時(shí)可以充分利用影像的重疊部分，使用重疊區(qū)域中對(duì)比度較好且地物表達(dá)完整的影像，避開(kāi)斑點(diǎn)，污漬，太亮與太暗的空間，具有地形變形，地物模糊區(qū)域。②水區(qū)一般線時(shí)要保證附近兩張影像的色調(diào)基本一致或相差不大的影像；③拼接線選擇色調(diào)較暗的地方通過(guò)[8]。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛和研究的深入和不斷創(chuàng)新，無(wú)人機(jī)所獲取的低空遙感數(shù)據(jù)完全能滿足實(shí)際需要，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果是可靠的，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是衛(wèi)星遙感的有益補(bǔ)充，在多云霧地區(qū)能解決衛(wèi)星遙感影像獲取困難的問(wèn)題，在三維景觀重建、土地利用調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，更能體現(xiàn)無(wú)人機(jī)的低空攝影測(cè)量技術(shù)的多用性與先進(jìn)性。

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