DPGRID處理無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)實(shí)踐

吳國(guó)青

（蘇州武大影像信息工程研究院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

這些年隨著國(guó)家大力推廣應(yīng)用國(guó)產(chǎn)低空無(wú)人飛行器航測(cè)遙感系統(tǒng)在國(guó)家應(yīng)急救災(zāi)、國(guó)土資源監(jiān)察、數(shù)字城市建設(shè)和新農(nóng)村測(cè)繪保障等領(lǐng)域均取得了不少成績(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)航空審批周期長(zhǎng)、專業(yè)攝影設(shè)備、成本大等情況，低空無(wú)人飛行器具有機(jī)動(dòng)靈活，操作簡(jiǎn)單，可以便捷高效進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，而且獲取的影像具有高分辨率、高清晰度，逐漸成為常規(guī)航空攝影的一種有效補(bǔ)充手段。

本文通過(guò)闡述在江蘇某地成功運(yùn)用低空無(wú)人飛機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取，采用武漢大學(xué)張祖勛院士領(lǐng)銜研制的新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)（DPGrid）[1]進(jìn)行低空數(shù)據(jù)處理來(lái)生產(chǎn) 1：1000 DLG、DOM，對(duì)工程實(shí)施中關(guān)鍵點(diǎn)工藝流程進(jìn)行闡述，并對(duì)成果精度進(jìn)行了評(píng)定，總結(jié)驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航測(cè)可應(yīng)用于大比例尺航測(cè)成圖。

1 工作流程及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 測(cè)區(qū)概況及任務(wù)

本項(xiàng)目測(cè)區(qū)位于江蘇蘇北某市郊區(qū)，測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)低平，居民地大都沿河呈一字型分布較有規(guī)律，多為農(nóng)田，測(cè)區(qū)面積為30 km2，測(cè)區(qū)范圍如圖1。

圖1 測(cè)區(qū)范圍

圖2 作業(yè)流程

1.2 工作流程

采用低空無(wú)人飛機(jī)航測(cè)的作業(yè)流程包括低空航測(cè)、像控測(cè)量、自動(dòng)空三、立體測(cè)圖、外業(yè)調(diào)繪及編圖、DOM制作等。其中關(guān)鍵的質(zhì)量點(diǎn)包括低空航測(cè)規(guī)劃、相機(jī)檢校及畸變改正、像片控制點(diǎn)的布設(shè)及測(cè)量、自動(dòng)空三、無(wú)縫測(cè)圖、DOM勻色鑲嵌。相對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)流程，低空航測(cè)作業(yè)流程如圖2所示。

1.3 低空航測(cè)規(guī)劃

低空航測(cè)一般選用性能可靠、可有一定載荷、有穩(wěn)定云臺(tái)、續(xù)航能力強(qiáng)、安全系數(shù)高的無(wú)人飛行器，本次選用機(jī)長(zhǎng)約2米的滑跑式無(wú)人飛機(jī)，最大載重為2kg，航攝相機(jī)采用佳能 5D Mark II非量測(cè)相機(jī)，焦距為 35mm，像幅為 3744×5616，像素大小為 6.4μm。 航攝采取短邊飛行方向，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況及當(dāng)日風(fēng)速風(fēng)向情況進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)計(jì)按航向重疊度為70%、航間重疊度為40%，地面分辨率為7cm，航高為400米，航速控制在100公里/時(shí)左右以減小像素位移誤差。

圖3 畸變改正前

圖4 畸變改正后

為確保飛機(jī)在空中姿態(tài)的穩(wěn)定性，減小旋片角、橫滾角的角度，飛行采用與風(fēng)向平行飛行，共飛行兩架次，拍攝相片2600多張，組成27個(gè)航帶，單個(gè)航帶最少為32張，最多為145張。航向重疊度為70%～80%，航間重疊度為25%～45%。拍攝的影像實(shí)際地面分辨率為7.7cm，對(duì)照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)完全滿足1：1000 DLG制作的要求。

1.4 相機(jī)檢校及畸變改正

采用佳能5D Mark II相機(jī)屬于非量測(cè)相機(jī)。因民用非量測(cè)相機(jī)拍攝的影像畸變差大，直接關(guān)系到成果的幾何精度，故航攝前需對(duì)相機(jī)進(jìn)行畸變檢校，航攝后對(duì)影像進(jìn)行畸變改正。本流程是低空攝影測(cè)量中非常重要的一步。

通過(guò)CCD相機(jī)獲取的影像，其幾何畸變主要來(lái)自光學(xué)誤差和電學(xué)誤差[2]。光學(xué)誤差主要是指相機(jī)光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變差，它包含對(duì)稱畸變差和非對(duì)稱畸變差，鏡頭畸變差在影像上一般表現(xiàn)為中心小、周邊大的特點(diǎn)。CCD相機(jī)的電學(xué)誤差主要表現(xiàn)在CCD影像上呈現(xiàn)一種抖動(dòng)狀。該誤差通常可簡(jiǎn)化成像素的長(zhǎng)寬尺度比例因子和像平面X軸與Y軸不正交所產(chǎn)生的畸變。綜上，像點(diǎn)坐標(biāo)畸變差改正的公式可簡(jiǎn)化為[3]：

（1）式中，x與y是像點(diǎn)坐標(biāo)，x0與y0是像主點(diǎn)坐標(biāo)，kn(n為自然數(shù))是待定的徑向畸變差系數(shù)，p1與p2是待定的非對(duì)稱畸變系數(shù)，r是以像主點(diǎn)為極點(diǎn)的向徑。在實(shí)際應(yīng)用中，徑向畸變系數(shù)kn通常取到k3即能滿足要求。

做完畸變改正后可對(duì)影像進(jìn)行目視檢查，一般畸變改正后的影像呈桶形向外擴(kuò)散，見(jiàn)圖3、4所示。

如需進(jìn)一步的檢測(cè)畸變參數(shù)的準(zhǔn)確性需進(jìn)行影像相對(duì)定向。

1.5 像片控制點(diǎn)的布設(shè)及測(cè)量

區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)采用平高控制點(diǎn)按整體進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)相機(jī)參數(shù)、相對(duì)于成圖比例拍攝的放大倍數(shù)、相對(duì)航高、視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差等確定像片控制點(diǎn)航向基線數(shù)跨度。其公式如下：

（2）（3）式中：ms為連接點(diǎn)（空三加密點(diǎn)）的平面中誤差，單位為 mm；mh為連接點(diǎn)（空三加密點(diǎn)）的高程中誤差，單位為m；K為像片放大成圖的倍數(shù)；H為相對(duì)航高，單位為m；b為像片基線長(zhǎng)度，單位為mm；mq為視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差，單位為mm；n為航線方向相鄰平面控制點(diǎn)的間隔基線數(shù)。

由于低空影像重疊度變化大，可按以上公式（2）（3）計(jì)算滿足最弱點(diǎn)連接點(diǎn)的平面高程中誤差要求的像片控制點(diǎn)航向基線數(shù)跨度。一般情況下，在視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差接近1/3像素左右條件下，平高控制點(diǎn)的航向間隔基線數(shù)參照公式（2）（3）計(jì)算為6～8條，旁向間隔為2～4條。

由于低空數(shù)碼影像像幅小、影像數(shù)量多，只有在DPGrid工程管理系統(tǒng)中做完自由網(wǎng)平差后進(jìn)行滿足像片選點(diǎn)條件的布點(diǎn)。

外業(yè)采用GPS RTK測(cè)量像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)是非常高效與可靠的，測(cè)量時(shí)根據(jù)內(nèi)業(yè)制作的刺點(diǎn)片拍攝現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)位位置近景遠(yuǎn)景照片及量取比高。

1.6 自動(dòng)空三

本項(xiàng)目低空數(shù)據(jù)處理采用武漢大學(xué)張祖勛院士領(lǐng)銜研制的新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)（DPGrid），DPGrid將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理技術(shù)相結(jié)合，它包括工程管理模塊、自動(dòng)空三模塊及產(chǎn)品生產(chǎn)模塊[4]。

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍所示，將影像按照正確的飛行方向在DPGrid工程下進(jìn)行航帶排列，待上下航帶首片相互對(duì)齊后，采用基于最小二乘匹配算法進(jìn)行自動(dòng)匹配，設(shè)置航向匹配搜索范圍參數(shù)為25%、航間匹配參數(shù)搜索范圍為15%。匹配完成后進(jìn)行5×5×3自動(dòng)智能挑點(diǎn)，通過(guò)多張影像多基線構(gòu)建局部自由網(wǎng)平差剔除誤差匹配點(diǎn)，高精度保留標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位定向點(diǎn)，使航片上加密點(diǎn)在50個(gè)以上并盡可能均勻分布。通過(guò)大量高精度、高強(qiáng)度的加密點(diǎn)進(jìn)行模型連接，增加了模型連接強(qiáng)度。

最后，采用光束法平差方法剔除錯(cuò)誤像點(diǎn)，若系統(tǒng)存在固定誤差時(shí)可加入12參數(shù)以上的系統(tǒng)誤差改正模型進(jìn)一步提高空三精度，達(dá)到測(cè)圖要求的空三相關(guān)精度指標(biāo)應(yīng)與航空規(guī)范中相關(guān)要求相一致。

1.7 無(wú)縫測(cè)圖

由于低空影像像幅小，重疊度大，就會(huì)導(dǎo)致模型基高比變小，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)圖時(shí)高程精度降低。同時(shí)影像數(shù)量多，會(huì)導(dǎo)致模型數(shù)量同比例變多，相對(duì)傳統(tǒng)航片來(lái)說(shuō)，測(cè)同一幅圖，調(diào)用的模型數(shù)目多，模型之間來(lái)回切換頻繁。采用蘇武現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)—無(wú)縫測(cè)圖模塊只要加載DPGrid空三平差后的外方位元素及畸變改正后的影像就可進(jìn)行測(cè)圖，測(cè)圖過(guò)程中可以自動(dòng)根據(jù)目標(biāo)地物坐標(biāo)切換模型，同時(shí)可以根據(jù)最佳交會(huì)角進(jìn)行測(cè)量，避免傳統(tǒng)立體測(cè)圖需要做相對(duì)定向、絕對(duì)定向的作業(yè)過(guò)程，大大提高了作業(yè)的方便性。

1.8 DOM勻色鑲嵌

處理低空影像的顏色問(wèn)題，在DOM鑲嵌制作過(guò)程中是一項(xiàng)重要的工序。一般來(lái)講，影響正射影像最終顏色質(zhì)量的主要因素一是單張影像內(nèi)部亮度分布不均勻二是多張影像間色彩差異較大[5]。在DPGrid正射鑲嵌系統(tǒng)中通過(guò)建立基于模板比值等多種算法對(duì)單張影像逐一進(jìn)行匹配勻光，多張影像間采用基于Wallis濾波器的勻色處理[6]，這樣很好地解決了以上問(wèn)題。

采用快速鑲嵌方法而成的圖內(nèi)鑲嵌線相對(duì)規(guī)整，能夠方便且易于人工編輯處理解決局部拼接線及色調(diào)差的問(wèn)題。相比系統(tǒng)提供智能蟻群算法鑲嵌更適合目視圖面檢查及修改。局部如大面積水系色差等現(xiàn)象的調(diào)整可調(diào)取photoshop修改后回存，回存調(diào)整羽化值，可以很好地處理圖像色差問(wèn)題。

1.9 成圖精度評(píng)定

1.9.1 根據(jù)規(guī)范要求，區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)束后，連接點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差、高程中誤差不得大于下表1規(guī)定。成圖比例尺點(diǎn)別

表1 連接點(diǎn)中誤差

1.9.2 本加密區(qū)相對(duì)定向連接點(diǎn)上下視差中誤差為0.00223mm（規(guī)范允許上下視差中誤差為2/3個(gè)像素0.00427mm），連接點(diǎn)上下視差最大殘差為0.00549mm（限差為4/3個(gè)像素）。對(duì)整個(gè)加密區(qū)2602張航片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，殘余上下視差精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下表2。

表2 殘余上下視差區(qū)間精度統(tǒng)計(jì)

1.9.3 模型連接較差限值按公式（3）和公式（4）計(jì)算：

（4）（5）式中：m為航攝比例尺分母；f為航攝儀焦距；b為像片基線長(zhǎng)度，式中△S、△Z以米為單位。

采用DPGrid.BA平差系統(tǒng)直接計(jì)算所得為模型連接空間較差，即模型連接空間較差詳見(jiàn)下表3。

表3 模型連接空間區(qū)間較差

1.9.4 絕對(duì)定向

區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)的平面和高程成果取用RTK像控測(cè)量成果數(shù)據(jù)，本次利用像控點(diǎn)為430個(gè)，其中空三加密過(guò)程中409個(gè)點(diǎn)作為基本定向點(diǎn)，21個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。本測(cè)區(qū)分為一個(gè)區(qū)域網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)束后，對(duì)基本定向點(diǎn)殘差值、檢查點(diǎn)誤差不符值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表4。

表4 基本定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

綜上可知，本加密區(qū)加密成果平面精度良好，高程精度達(dá)不到規(guī)范規(guī)定要求。

1.9.5 外業(yè)精度檢測(cè)

野外對(duì)地形圖地物點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后的地形圖地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差精度區(qū)間統(tǒng)計(jì)如下表5（參照地形圖點(diǎn)位中誤差應(yīng)小于實(shí)地±50CM的精度要求）：

表5 地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差區(qū)間精度統(tǒng)計(jì)

1.9.6 將DOM與地形圖進(jìn)行疊加，將DOM上采集坐標(biāo)與地形圖同名點(diǎn)進(jìn)行比較。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，DOM平面位置中誤差為0.20m（允許中誤差為0.50m），DOM平面位置較差按中誤差進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)如下表6。

各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本項(xiàng)目的DLG、DOM成果精度均符合制作要求。采用低空航測(cè)方法

表6 DOM平面位置較差區(qū)間精度統(tǒng)計(jì)

2 結(jié)論

工程實(shí)踐表明，對(duì)于小城鎮(zhèn)及待開(kāi)發(fā)區(qū)域等航測(cè)面積不是很大和應(yīng)急需要的情況下，采用低空無(wú)人飛機(jī)航攝具有機(jī)動(dòng)靈活、周期短等優(yōu)勢(shì)。

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)DLG產(chǎn)品，由于像幅小，增加了加密與測(cè)圖的工作量，應(yīng)用DPGrid系統(tǒng)使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難度減少了，高度集成的自動(dòng)化提高了制作效率。

采用低空航測(cè)進(jìn)行DLG成圖的工序流程最好是先進(jìn)行自由網(wǎng)平差通過(guò)后再開(kāi)展各項(xiàng)工作，這樣有利控制各道工序質(zhì)量。低空航測(cè)存在基高比小，即使選擇最佳交會(huì)角測(cè)圖高程精度往往很難滿足測(cè)圖需要，如何有效提高測(cè)高精度還需各方面的系統(tǒng)性研究。

［1］張祖勛.從數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站(DPW)到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格(DPGrid)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2007,32(7)：565-571.

［2］凡亦文,等.無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用[A]//第十七屆中國(guó)遙感大會(huì)摘要集[C].2010.

［3］程效軍,胡敏捷.數(shù)字相機(jī)的檢校[J].鐵路航測(cè),2001,4：12-14.

［4］初愛(ài)萍.基于DPGrid軟件的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理[J].科技傳播,2010(10)：196-97.

［5］李德仁,王密,潘俊.光學(xué)遙感影像的自動(dòng)勻光處理及應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2006,31(9)：753-756.

［6］孫明偉.正射影像全自動(dòng)快速制作關(guān)鍵技術(shù)研究[D].2009.