曹明蘭，薄志毅，李亞東,2

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100042; 2. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

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無控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無人機(jī)影像DOM快速制作

曹明蘭1，薄志毅1，李亞東1,2

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100042; 2. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

在遇到緊急情況時(shí)，用戶對數(shù)字正射影像DOM成圖要求時(shí)間緊迫，需要最短時(shí)間成圖，無法投入過多人工干預(yù)。及時(shí)把握事件發(fā)生區(qū)域是采取有效應(yīng)急措施并阻止事件擴(kuò)散的可行辦法。本文利用無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)采集案例地區(qū)的高空間分辨率影像，經(jīng)攝影測量軟件快速處理并制作了1∶500數(shù)字正射影像圖，經(jīng)精度檢查滿足DOM質(zhì)量要求。該方法的實(shí)施效率高，數(shù)據(jù)采集成本低，能夠?yàn)槟车貐^(qū)遇到緊急情況時(shí)提供技術(shù)支持。

無人機(jī)；低空攝影測量；無控制點(diǎn)；DOM

無人機(jī)(unmannedaerialvehicle,UAV)是自帶飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)的無人駕駛飛行器[1-2]，它具有飛行成本低、數(shù)據(jù)分辨率高、外業(yè)周期短、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。但是在采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要到野外測量像片控制點(diǎn)，這大大拖延了無人機(jī)低空影像數(shù)據(jù)處理周期。為了滿足各類災(zāi)害的應(yīng)急救急工作的迫切需要，急需建立精度要求不高情況下的快速制作正射影像圖制作流程。近年來，隨著無人機(jī)攝影傳感器性能的提高，尤其是POS(positionandorientationsystem,POS)數(shù)據(jù)精度的不斷提升，使得無控制點(diǎn)處理無人機(jī)低空攝影測量數(shù)據(jù)成為可能。研究者們也從算法與軟件開發(fā)[6-8]、處理方法[9-12]、基于POS數(shù)據(jù)的影像匹配[13-15]等方面進(jìn)行了探索。

本文利用測圖鷹X100無人機(jī)獲取了試驗(yàn)地區(qū)高質(zhì)量的低空影像數(shù)據(jù)，結(jié)合POS數(shù)據(jù)和無人機(jī)影像處理專業(yè)軟件，對基于全自動(dòng)無人機(jī)航測系統(tǒng)的無控制點(diǎn)DOM快速制作關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

一、研究區(qū)概況

本次試驗(yàn)于2014年6月19日在北京市平谷區(qū)峪口鎮(zhèn)進(jìn)行。測區(qū)南北長約0.35km，東西寬約0.63km，測區(qū)面積0.22km2。測區(qū)內(nèi)有樓房、平房、體育場、水域、道路、農(nóng)田、樹木等建(構(gòu))筑物和人工設(shè)施。當(dāng)天天氣晴朗，風(fēng)力小于2級。飛行區(qū)域地勢平坦，側(cè)風(fēng)飛行。

二、技術(shù)流程

無人機(jī)獲取的影像像幅小、數(shù)量多，飛行軌跡不規(guī)則，部分偏離航線較遠(yuǎn)，直接導(dǎo)致影像間的重疊率相差較大。由于采用了非量測型普通數(shù)碼相機(jī)，加上飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，鏡頭畸變較大，影像內(nèi)部幾何關(guān)系比不穩(wěn)定。因此，無人機(jī)影像處理不能采用傳統(tǒng)基于嚴(yán)密標(biāo)定系數(shù)和高精度控制點(diǎn)的內(nèi)定向、相對定向、空三加密、DOM生成等一系列步驟。而且在應(yīng)急應(yīng)用中，快速獲取測區(qū)正射影像或準(zhǔn)正射影像是首要任務(wù)，而精確定位無人機(jī)影像圖的絕對位置精度不是最重要的。因此，本文提出無人機(jī)低空影像無控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的DOM制作思路，不做嚴(yán)密的平差處理，快速獲取整個(gè)飛行區(qū)域的正射影像圖，其處理流程如圖1所示。

圖1　無人機(jī)影像處理流程

三、關(guān)鍵技術(shù)

1. 外業(yè)航拍

(1) 設(shè)備參數(shù)

測圖鷹X100航測遙感無人機(jī)系統(tǒng)是一套可單人操作的全自動(dòng)無人機(jī)航測系統(tǒng)，主要包含電動(dòng)無人機(jī)飛行平臺、彈射起飛系統(tǒng)、eBox(GPS+INS自主巡航控制系統(tǒng)等)、小型數(shù)碼航攝儀、地面站控制系統(tǒng)及空地通信數(shù)據(jù)鏈組件。測圖鷹X100主要性能指標(biāo)見表1和表2。

表1　無人機(jī)遙感平臺主要性能指標(biāo)

表2　無人機(jī)遙感傳感器主要性能指標(biāo)

(2) 航攝設(shè)計(jì)

1) 航高和航飛確定。航飛前進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，檢查測區(qū)基準(zhǔn)面情況，確定起飛區(qū)域和降落區(qū)域沒有障礙物，并確定起降點(diǎn)。需要考慮測區(qū)內(nèi)有樓房、平房、體育場、水域、道路、農(nóng)田、樹木等建構(gòu)筑物和人工設(shè)施。為精確測定每一種地物，成圖比例尺確定為1∶500，地面分辨率確定為0.067 313 6m/像素。同時(shí)，考慮到飛行區(qū)域地勢平坦，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求，將飛行航高確定為220m。航線規(guī)劃8條航帶，航向和旁向重疊率均設(shè)計(jì)為80%，航線間距為74m，航線規(guī)劃如圖2所示。航飛當(dāng)天天氣晴朗，風(fēng)力小于2級，設(shè)計(jì)側(cè)風(fēng)飛行，逆風(fēng)起飛，逆風(fēng)降落。飛行1個(gè)架次，飛行面積為0.467 5km2，共獲取120張大小為3.5GB左右的影像。完成飛行任務(wù)后，導(dǎo)出照片和POS數(shù)據(jù)，檢查航向重疊、旁向重疊、像片傾斜角、航偏角、航線彎曲度、航高差、航攝漏洞等是否滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過檢查，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，航片影像清晰、反差適中、色調(diào)飽和不偏色、層次感適中、目視效果良好。

圖2　案例地區(qū)航線規(guī)劃

2) 無人機(jī)姿態(tài)角。無人機(jī)在空間上的飛行姿態(tài)角可以用像空間坐標(biāo)系相對于地面輔助坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系來表示。假設(shè)兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在同一位置，只是方向不同，則可通過3次不同方向的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使二者重合，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角即為姿態(tài)角，包括俯仰角、橫滾角、偏航角，如圖3所示。

圖3　無人機(jī)姿態(tài)角定義

以攝影中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿航線前進(jìn)的切線指向機(jī)頭方向?yàn)閄軸，垂直航線面的指向機(jī)身右方為Y軸，垂直XY平面指向機(jī)身上方為Z軸。則無人機(jī)的姿態(tài)有3種情況：繞X軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角為橫滾角φ(roll)，機(jī)體向右滾為正，反之為負(fù)。繞Y軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角為俯仰角ω(pitch)，當(dāng)X軸的正半軸位于過坐標(biāo)原點(diǎn)的水平面之上(抬頭)時(shí)，俯仰角為正，否則為負(fù)。繞Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角為航偏角κ(yaw)，機(jī)頭右偏航為正，反之為負(fù)。

用姿態(tài)角轉(zhuǎn)動(dòng)法表示姿態(tài)時(shí)，按不同順序旋轉(zhuǎn)3個(gè)角所得到的姿態(tài)方位不一樣，每次轉(zhuǎn)動(dòng)可用矩陣表示，即姿態(tài)矩陣，可用3個(gè)姿態(tài)角構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣。下面方程中(X,Y,Z)代表地面點(diǎn)在地面輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(x,y,-f)則代表像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系中的位置。

經(jīng)過第一次旋轉(zhuǎn)后，有

(1)

寫成向量的形式為

X=RφX′

(2)

第二次旋轉(zhuǎn)后，有

(3)

寫成向量的形式為

X′=RωX″

(4)

最后一次Z軸進(jìn)行第3次旋轉(zhuǎn)后，有

(5)

寫成向量的形式為

X″=Rκx

(6)

因此

(7)

其中

R=RφRωRκ

(8)

計(jì)算得到

(9)

這種按連動(dòng)軸的有序旋轉(zhuǎn)，其總旋轉(zhuǎn)矩陣由各單獨(dú)旋轉(zhuǎn)矩陣依旋轉(zhuǎn)順序相乘構(gòu)成，完成了像空間坐標(biāo)系與地面輔助坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。

2. 影像定向及點(diǎn)云提取

影像的拍攝位置是由無人機(jī)在飛行過程中根據(jù)航線設(shè)計(jì)和飛行姿態(tài)所決定的。根據(jù)攝影測量基本原理，對120張影像進(jìn)行定向計(jì)算，以解算自由坐標(biāo)系下照片位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)。本文只有影像和POS數(shù)據(jù)，未測定地面控制點(diǎn)，因此，利用Agisoftphotoscan軟件根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)計(jì)算照片的姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)無人機(jī)姿態(tài)參數(shù)找到航線和每一張航攝像片的拍攝位置，從而快速準(zhǔn)確地進(jìn)行地理定位。根據(jù)已有姿態(tài)數(shù)據(jù)，提取帶坐標(biāo)信息的三維密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配，點(diǎn)密度達(dá)到13.793 5點(diǎn)/m2。如圖4所示。

圖4　相機(jī)拍照點(diǎn)及重疊率

無人機(jī)自身定位精度是經(jīng)度、緯度、高度的綜合誤差(CEP)，由機(jī)載差分GPS接收機(jī)的性能決定。圖5中橢圓形狀表示XY的定位誤差，橢圓的灰度表示Z的定位誤差，圖中黑色的點(diǎn)表示攝影機(jī)的位置。

圖5　相機(jī)的位置和誤差估計(jì)

3. 建立多邊形網(wǎng)格模型

根據(jù)帶坐標(biāo)信息的三維密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速重構(gòu)目標(biāo)的多邊形網(wǎng)格(polygonalmesh)模型，重構(gòu)出線、面、體、空間等各類數(shù)據(jù)，展現(xiàn)事物真實(shí)的形態(tài)特性。三維多邊形網(wǎng)格模型是表示多面體形狀的頂點(diǎn)與多邊形的集合，能夠創(chuàng)建不規(guī)則形體和易于觀察的著色圖像。并選取高質(zhì)量的數(shù)碼影像賦予mesh精細(xì)的彩色紋理。

4. 制作DEM、DOM

能夠直接生成數(shù)字高程模型DEM，生成像素分辨率為0.272 7m的DEM。由于DEM描述的是地面高程信息，可作為林業(yè)數(shù)字地形分析、森林生產(chǎn)力估算、確定林地小班的地形、地貌、坡度因子等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。導(dǎo)出的高精度、信息豐富、直觀逼真的1∶500數(shù)字正射影像圖DOM，可作為背景控制信息，也可提取自然資源和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展信息，為防災(zāi)減災(zāi)、公共設(shè)施建設(shè)等方面提供快速有效的信息。如圖6、圖7所示。

5. 精度檢查

影像正射影像圖產(chǎn)品質(zhì)量的因素主要有影像質(zhì)量、數(shù)學(xué)精度、數(shù)據(jù)接邊等。由于GPS點(diǎn)本身的定位精度很低，常規(guī)的控制點(diǎn)定位檢查意義不大，因此，本文采用影像疊加的檢查方法將已有的矢量文件與正射影像圖進(jìn)行套合疊加檢查。經(jīng)目視檢查，道路等主要地物的重合良好，圖中下方為無人機(jī)影像，上方為矢量文件。經(jīng)目視檢查，制作的DOM影像紋理清晰、影像分辨率正確、亮度和對比度適中、無重影和紋理斷裂現(xiàn)象，不存在噪聲及云影等缺陷。

圖6　重建的數(shù)字高程模型DEM

圖7　試驗(yàn)區(qū)數(shù)字正射影像圖DOM

四、結(jié)束語

機(jī)載POS對地定位是一種新型航攝技術(shù),它采用光纖陀螺系統(tǒng),結(jié)合差分GPS定位來直接測定航片的外方位元素,可以減少傳統(tǒng)航空攝影測量成圖中的外業(yè)地面控制工序,從而大大減少外業(yè)工作量，加快測圖速度?？焖偕烧溆跋駡D的方法是目前無人機(jī)應(yīng)急測繪較好的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，由于它是基于影像的，紋理數(shù)據(jù)可以從原始影像中提取，因此可以方便快捷地建立逼真的三維場景模型。本文利用無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)采集案例地區(qū)的高空間分辨率影像，經(jīng)攝影測量軟件快速處理并制作了1∶500數(shù)字正射影像圖，經(jīng)過精度檢查滿足DOM質(zhì)量要求。該方法的實(shí)施效率高，在很大程度上縮減了外業(yè)工期，項(xiàng)目成本僅為傳統(tǒng)膠片航攝系統(tǒng)成本的70%～80%。

[1]WATTSAC,AMBROSIAVG,HINKLEYEA.UnmannedAircraftSystemsinRemoteSensingandScientificResearch:ClassificationandConsiderationsofUse[J].RemoteSensing,2012,4(6):1671-1692.

[2]李德仁,李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2014,39(5):505-513.

[3]崔紅霞,孫杰,林宗堅(jiān).無人機(jī)遙感設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].測繪科學(xué),2004,29(1):47-49.

[4]張園,陶萍,梁世祥,等.無人機(jī)遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào),2011,31(3):49-53.

[5]金偉,葛宏立,杜華強(qiáng),等.無人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息,2009(1):88-92.

[6]王聰華.無人飛行器低空遙感影像數(shù)據(jù)處理方法[D].青島：山東科技大學(xué),2006.

[7]王京衛(wèi).測繪無人機(jī)低空數(shù)字航攝影像去霧霾研究[J].測繪學(xué)報(bào),2016,45(2):251-257.

[8]崔紅霞,林宗堅(jiān),孫杰.大重疊度無人機(jī)遙感影像的三維建模方法研究[J].測繪科學(xué),2005,30(2):37-39.

[9]宮阿都,何孝瑩,雷添杰,等.無控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無人機(jī)影像快速處理[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2010,12(2):254-260.

[10]何海清.低空攝影測量航帶重構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法研究[J].測繪學(xué)報(bào),2014,43(4):440-446.

[11]尹杰,楊魁.基于無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的快速處理技術(shù)研究[J].測繪通報(bào),2011(12):15-17.

[12]張春曉,文高進(jìn),王洪民,等.一種無人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測遙感數(shù)據(jù)快速處理方法[J].測繪通報(bào),2015(1):50-54.

[13]趙政,凌霄,孫長奎,等.基于POS的無人機(jī)傾斜影像匹配方法[J].國土資源遙感,2016,28(1):87-92.

[14]張巖,李建增,李德良,等.基于POS與圖像匹配的無人機(jī)目標(biāo)定位方法研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(1):39-45.

[15]王偉.無人機(jī)影像森林信息提取與模型研建[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2015.

Rapid Production of UAV Image DOM without Control Point Data

CAO Minglan,BO Zhiyi,LI Yadong

2016-06-27

北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)課題(bgzykyz201411);大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(2015XSKY11)

曹明蘭(1978—),女,博士,講師,主要從事攝影測量與遙感教學(xué)與研究。E-mail:nm_cml@163.com

P23

B

0494-0911(2016)08-0035-04

引文格式：曹明蘭，薄志毅，李亞東.無控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無人機(jī)影像DOM快速制作[J].測繪通報(bào)，2016(8)：35-38.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0251.