尚海興

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在軟硬件技術(shù)日新月異的發(fā)展推動(dòng)下，應(yīng)對(duì)面積大、工期緊、實(shí)測(cè)成本高的大比例尺地形圖測(cè)繪任務(wù)，低成本、高效靈活的無人機(jī)航測(cè)手段已然成為主要測(cè)繪方案[1-4]。航測(cè)高精度后處理軟件已經(jīng)趨于成熟，而適用各類型框幅式傳感器的無人機(jī)航攝設(shè)計(jì)、成果整理發(fā)布的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化、輔助像控設(shè)計(jì)、輔助空三整理等功能暫時(shí)無成熟商業(yè)軟件可用。無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理與質(zhì)量評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、航攝成果標(biāo)準(zhǔn)化歸檔、輔助像控設(shè)計(jì)與輔助空三整理等工序往往均采用人工逐步整理，數(shù)據(jù)格式無法實(shí)現(xiàn)批量標(biāo)準(zhǔn)化整理，航攝成果質(zhì)量無法快速評(píng)估，容易造成航攝漏洞，復(fù)飛返工的經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)際成本較高[5]。為讓航攝人員簡(jiǎn)易規(guī)范地提交一套航外人員使用方便、航內(nèi)空三加密人員操作舒心的航攝數(shù)據(jù)，開發(fā)一套高效銜接航攝與航內(nèi)空三加密工序的無人機(jī)航攝自動(dòng)化處理系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)分析與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為方便系統(tǒng)管理和后期維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)文檔和屬性數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式，海量影像數(shù)據(jù)采用文件存儲(chǔ)、軟件調(diào)用方式管理，以項(xiàng)目為基本單元進(jìn)行航攝項(xiàng)目系統(tǒng)管理。

無人機(jī)航攝自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要包括：項(xiàng)目管理、嚴(yán)密航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)精度估算、飛行監(jiān)控、航攝影像質(zhì)檢、航攝數(shù)據(jù)跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換、航攝成果自動(dòng)歸檔等主要功能。其主要特色有：① 嚴(yán)密的航線設(shè)計(jì)模塊。根據(jù)測(cè)區(qū)地形和范圍、航攝質(zhì)量與測(cè)圖精度估算，模塊內(nèi)的相機(jī)庫(kù)涵蓋了大型專業(yè)航攝儀、主流無人機(jī)航攝儀、大疆旋翼航攝系列相機(jī)及用戶自定義相機(jī)等22款相機(jī)參數(shù)，便于行業(yè)推廣。② 航攝影像的快速質(zhì)檢功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)快拼的質(zhì)檢報(bào)告來評(píng)估是否補(bǔ)飛復(fù)飛。③ 航攝數(shù)據(jù)跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換功能?？煞奖愫酵庀窨攸c(diǎn)可視化布設(shè)及內(nèi)業(yè)空三快速添加像控點(diǎn)。④ 航攝成果庫(kù)管理與快速標(biāo)準(zhǔn)化提交與歸檔?；谏鲜龉δ芊治觯到y(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)是航攝項(xiàng)目資料提交、歸檔、查詢、管理的重要支撐。主要的數(shù)據(jù)表有：① 航攝飛行記錄表。記錄飛機(jī)工作狀態(tài)。② 項(xiàng)目信息表。結(jié)合測(cè)區(qū)范圍矢量信息和航攝飛行記錄表用于項(xiàng)目航攝資料歸檔管理與查詢。③ 航線設(shè)計(jì)信息表。用于生成制式航攝技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告。④ 影像質(zhì)量信息表。結(jié)合航線設(shè)計(jì)信息表共同生成航攝技術(shù)總結(jié)報(bào)告。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

1.2.1 項(xiàng)目管理

新建項(xiàng)目后，系統(tǒng)會(huì)建立制式工程文件夾，根據(jù)項(xiàng)目ID寫入項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)庫(kù)文件。飛行前，同時(shí)將航線設(shè)計(jì)信息寫入庫(kù)文件。航攝后，加載航攝原始影像信息，進(jìn)入航攝影像快速質(zhì)檢與跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行像控點(diǎn)可視化布設(shè)。航攝任務(wù)結(jié)束后輸出工程檔案自動(dòng)進(jìn)行完整資料歸檔，歸檔資料均為自動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)制式報(bào)告，大幅減少人工整理工作量，降低出錯(cuò)概率。

1.2.2 航線設(shè)計(jì)與航飛輔助監(jiān)控

航線設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵是根據(jù)攝區(qū)地形條件和傳感器參數(shù)(航攝相機(jī))計(jì)算最佳航攝飛行高度、航線間隔、相機(jī)曝光間隔、最低和最高點(diǎn)分辨率、最大和最小重疊度、像片數(shù)估算等航攝參數(shù)，這些參數(shù)是安全飛行和航攝質(zhì)量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，是測(cè)繪成果精度控制的重要環(huán)節(jié)。

航飛輔助監(jiān)控主要目的是在無人機(jī)起飛后地面系統(tǒng)接收自駕系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳信號(hào)，根據(jù)飛機(jī)的飛行參數(shù)設(shè)置航油、航電、航時(shí)的安全閾值，確保飛機(jī)在最大的影像獲取效率下安全返航。

1.2.3 航攝影像質(zhì)量檢查

無人機(jī)航測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)檢的功能是在飛行后，即時(shí)檢查飛行成果是否合格。軟件可根據(jù)機(jī)載差分GNSS或概略POS位置和原始影像。對(duì)原始影像進(jìn)行降采樣處理后的金字塔影像，使用數(shù)字航攝影像快拼技術(shù)[6]，直觀展示飛行成果信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏片漏POS點(diǎn)的情況；自動(dòng)計(jì)算影像間重疊度，檢查飛行成果的重疊度(旁向和航向)是否合格；并輸出飛行質(zhì)量成果檢查報(bào)告，用戶可據(jù)此判斷飛行成果是否符合要求，是否需要補(bǔ)飛或重飛，可有效降低外業(yè)航攝周期和成本。

1.2.4 像控點(diǎn)精度估算與基線間隔

像控點(diǎn)的布設(shè)方案與航線設(shè)計(jì)方案息息相關(guān)，當(dāng)航線確定后，依據(jù)測(cè)區(qū)范圍、實(shí)際地形起伏和相機(jī)參數(shù)，合理計(jì)算后確定最佳基線間隔，其目的是：在能確保空三加密精度(包括平面和高程精度)達(dá)標(biāo)前提下，最大限度減少外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)密度，從而降低成本，加快工程進(jìn)度，提供作業(yè)效率。

1.2.5 影像預(yù)處理

當(dāng)前市場(chǎng)絕大部分無人機(jī)可見光航攝相機(jī)均采用非量測(cè)型相機(jī)，鏡頭存在畸變差，它會(huì)嚴(yán)重影響空三匹配精度，使得模型上下視差和模型接邊差很大，測(cè)繪成果無法達(dá)到航測(cè)規(guī)范精度要求。該模塊可根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)對(duì)原始影像進(jìn)行嚴(yán)密的畸變誤差糾正，使空三精度滿足航測(cè)內(nèi)業(yè)規(guī)范精度要求。該模塊可批量實(shí)現(xiàn)各影像格式轉(zhuǎn)換和降采樣處理，為快拼匹配做預(yù)處理。

1.2.6 跨平臺(tái)格式轉(zhuǎn)換

航攝成果是為航測(cè)內(nèi)業(yè)空三加密流程服務(wù)，系統(tǒng)可根據(jù)自駕儀原始POS格式進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)、航攝影像格式和命名等數(shù)據(jù)接口之間的轉(zhuǎn)換，確保航內(nèi)人員可簡(jiǎn)潔、直觀地進(jìn)入空三程序?？缙脚_(tái)POS格式轉(zhuǎn)換也可用于像控點(diǎn)布設(shè)方案可視化調(diào)整。

1.2.7 航攝數(shù)據(jù)歸檔與航攝報(bào)告自動(dòng)生成

航攝數(shù)據(jù)歸檔依據(jù)國(guó)家規(guī)范制定無人機(jī)航攝資料歸檔模板，程序根據(jù)對(duì)應(yīng)航線設(shè)計(jì)方案、質(zhì)檢報(bào)告和整理后的文檔、影像資料自動(dòng)生成航攝報(bào)告，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化資料報(bào)告歸檔。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)上述功能，筆者采用Microsoft Visual Studio編譯平臺(tái)，運(yùn)用Visual C++的MFC微軟基礎(chǔ)類庫(kù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與開發(fā)，產(chǎn)品以互動(dòng)性友好的對(duì)話框方式實(shí)現(xiàn)人工交互與各數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換。程序在設(shè)計(jì)之初對(duì)國(guó)內(nèi)外無人機(jī)航攝市場(chǎng)進(jìn)行了廣泛調(diào)查，軟件內(nèi)涉及的航攝相機(jī)型號(hào)與參數(shù)、自駕儀數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出接口格式適用于市場(chǎng)眾多主流型號(hào)，同時(shí)開放了自定義參數(shù)設(shè)置，軟件具備較強(qiáng)的行業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖2 主流航攝相機(jī)庫(kù)圖

2.1 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)主要依據(jù)航高與地面分辨率關(guān)系和相機(jī)參數(shù)推算航攝參數(shù)，相機(jī)庫(kù)包含了市場(chǎng)大部分航攝相機(jī)參數(shù)，如圖2所示。程序設(shè)計(jì)需要考慮現(xiàn)有市場(chǎng)各款主流相機(jī)參數(shù)、航線安全飛行高度過低警告、最低點(diǎn)分辨率過低警告、最高點(diǎn)航向/旁向重疊度不足警告及誤操作彈窗警示。航高與地面分辨率計(jì)算關(guān)系為：

(1)

式中：h為相對(duì)航高，m；f為鏡頭主距，mm；a為像元大小，mm；GSD為地面分辨率，m。

2.2 航攝影像質(zhì)量檢查

軟件可根據(jù)機(jī)載差分GNSS或概略POS位置和原始影像，直觀展示飛行成果信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏片丟POS數(shù)據(jù)的情況；自動(dòng)計(jì)算影像間重疊度，檢查飛行成果的重疊度(旁向和航向)是否合格；并輸出飛行質(zhì)量成果檢查報(bào)告，用戶可據(jù)此判斷飛行成果是否符合要求，是否需要補(bǔ)飛或重飛。影像質(zhì)量檢查基于無人機(jī)影像快拼技術(shù)，加載原始影像和POS文件，計(jì)算各片的重疊度，在快拼圖中疊加重疊度信息標(biāo)識(shí)，并自動(dòng)輸出質(zhì)檢報(bào)告。質(zhì)檢功能、重疊度計(jì)算與標(biāo)識(shí)如圖3所示。

2.3 像控點(diǎn)精度估算與基線間隔計(jì)算

像控點(diǎn)的布設(shè)方案與航線設(shè)計(jì)方案相關(guān)，當(dāng)航線確定后，參照航攝規(guī)范[7-8]、測(cè)區(qū)地形實(shí)際起伏和相機(jī)參數(shù)，合理計(jì)算后確定最佳基線間隔。像控點(diǎn)航向基線數(shù)跨度估算公式如式(2)和式(3)所示，像控點(diǎn)精度估算與基線間隔計(jì)算如圖4所示。

用戶需要導(dǎo)入測(cè)區(qū)范圍和加載全球DEM，根據(jù)測(cè)區(qū)所需技術(shù)指標(biāo)，輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出“航高”和“航向重疊度”，用戶如需提高精度可以手工修改。點(diǎn)擊“自動(dòng)布點(diǎn)”按鈕可以輸出自動(dòng)布點(diǎn)文件，在Google Earth環(huán)境下打開自動(dòng)布點(diǎn)文件可視化布設(shè)像控點(diǎn)和點(diǎn)位密度優(yōu)化。

(2)

(3)

式中：ms為連接點(diǎn)(空三加密點(diǎn))的平面中誤差,mm；mA為連接點(diǎn)(空三加密點(diǎn))的高程中誤差,m；K為像片放大成圖倍數(shù)；H為相對(duì)航高,m；b為像片基線長(zhǎng)度,mm；mq為視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差,mm；n為航線方向相鄰平面控制點(diǎn)的間隔基線數(shù)。

圖3 重疊度計(jì)算與標(biāo)識(shí)圖

圖4 像控點(diǎn)布設(shè)與精度估算圖

圖5 POS文件一鍵快速整理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖

2.4 影像預(yù)處理與跨平臺(tái)格式轉(zhuǎn)換

針對(duì)無人機(jī)搭載的非量測(cè)型航攝儀，根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)對(duì)原始影像進(jìn)行嚴(yán)密的畸變誤差糾正是第一步預(yù)處理，立體測(cè)圖階段可有效消除立體模型上下視差，是測(cè)圖高程精度達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵步驟。系統(tǒng)支持北京普洛特UP系列、成都縱橫系列等主流自駕儀原始POS格式的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、影像格式轉(zhuǎn)換、影像文件批命名，確保航內(nèi)人員可簡(jiǎn)潔、直觀地進(jìn)入空三工序。POS文件一鍵整理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能如圖5所示。不同的攝影測(cè)量工作站需要的影像格式各有不同，有時(shí)為提高匹配效率，需要多次匹配，需要降采樣影像；調(diào)繪片制作也需要重采樣影像并轉(zhuǎn)換格式?jīng)_印，該功能可以實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.5 航攝數(shù)據(jù)歸檔與航攝報(bào)告自動(dòng)生成

航攝數(shù)據(jù)歸檔依據(jù)文獻(xiàn)[8-9]制定無人機(jī)航攝資料歸檔模板，基于程序把相關(guān)航線設(shè)置和整理后的資料進(jìn)行航攝報(bào)告自動(dòng)生成，減少航攝人員大量人工整理時(shí)間，并使得歸檔資料和航攝報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)化批量輸出，軟件輸出的制式歸檔資料清單模板見圖6。

圖6 歸檔資料清單模板圖

3 結(jié) 語

軟件在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)航內(nèi)和航外人員持續(xù)測(cè)試與修改，累計(jì)航攝生產(chǎn)優(yōu)于0.18 m高分辨率低空遙感影像近10 500張，航攝測(cè)制大比例尺地形圖(1∶2 000)面積約1 200 km2。無人機(jī)航攝自動(dòng)化處理系統(tǒng)以航攝工程為基本管理單元，基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航線設(shè)計(jì)、飛行監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動(dòng)整理與質(zhì)檢、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、像控點(diǎn)自動(dòng)布點(diǎn)優(yōu)化、航攝數(shù)據(jù)跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換、航攝成果標(biāo)準(zhǔn)化歸檔等功能，有效銜接航外工作和航內(nèi)空三工序，大幅降低航攝成本，明顯提升航攝效率，實(shí)現(xiàn)了航攝產(chǎn)品提交和歸檔的標(biāo)準(zhǔn)化。軟件涉及的航攝相機(jī)型號(hào)與參數(shù)、自駕儀數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出接口格式適用于市場(chǎng)諸多主流硬件和航測(cè)軟件銜接，同時(shí)開放了自定義參數(shù)設(shè)置，軟件具備較強(qiáng)的行業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。