無人機技術航拍與圖像拼接技術應用分析

王陳香

摘要：無人機遙感技術在很多領域發(fā)揮著重要作用，如軍事領域、地理測繪領域等。文章分析了無人機航拍技術應在測繪行業(yè)的應用，闡述了無人機圖像拼接的特點和拼接方法，研究了無人機圖像拼接的關鍵技術。

關鍵詞：無人機技術；航拍與圖像拼接技術；測繪行業(yè)；地理測繪；遙感技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）30-0042-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.021

1 概述

隨著社會不斷發(fā)展和進步，無人機遙感技術在很多領域發(fā)揮著不可或缺的作用，譬如軍事領域、農業(yè)領域、考古領域、環(huán)境監(jiān)測領域、城市規(guī)劃領域、災害監(jiān)測領域、地理測繪領域等。無人機遙感技術之所以會有如此廣泛的應用，是由于無人機遙感圖像具有高靈活性、續(xù)航時間長，可以在特別危險地區(qū)探測，效率特別高，成本也低，還有無人機可在低海拔地區(qū)飛行，能夠避免云層干擾等獨特優(yōu)勢。

2 無人機遙感發(fā)展

2.1 無人機發(fā)展概況

因為計算機技術的不斷發(fā)展，無人機遙感技術也獲得了巨大進步，并且因為本身獨特優(yōu)勢，受到愈來愈廣泛的關注。一般來說，無人機遙感技術提取和歸納人們所需信息，主要是利用精密成像儀器和圖像分析技術，然后通過對這些時效性較高的圖像進行特性分析等其他操作來達成。無人機遙感技術發(fā)展如此之快，以至于圖像拼接技術也受到越來越多關注，國內外很多研究人員正在對圖像拼接技術進行更深研究。目前，無人機圖像拼接技術受到普遍關注，各個國家的學者都進行著與無人機圖像拼接有關技術研究工作。圖像拼接技術通過數年研究，已經獲取相當多研究成果，但是現在依然有很多問題有待解決，諸如相幅較小、數量多、影像傾斜度大、重疊不規(guī)則等一系列問題。圖像拼接效果和效率主要受圖像配準精度和有效性所制約。

2.2 無人機航拍原理

無人機，顧名思義是一種無人駕駛的或稱作不載人的飛行器。它主要是通過無線電遙控設備或機載計算機程序系統(tǒng)來進行控制。無人機航拍是以無人機作為拍攝基準平臺，隨機載有高分辨率CCD數碼相機、紅外掃描儀、激光掃描儀等機載遙感設備獲取地面圖像或其他類型數據信息。通過計算機對所獲取的遙感圖像信息按照一定精度要求進行解譯識別處理，并制作成相關更重要、更全面信息的大幅全景圖像。無人機航拍技術是一種全新的高科技遙感應用技術，需要多種技術手段互相支撐構建成為一個平臺系統(tǒng)。全系統(tǒng)是集成遙感、遙測技術與計算機技術新型應用技術，在設計和最優(yōu)化組合方面具有突出特點。

2.3 無人機遙感圖像特點

無人機遙感圖像具有獲取圖像快、成本低、精度高、非接觸等諸多優(yōu)勢。然而，作為空中飛行載體，無人機飛行過程中的外界條件變化相對復雜，飛行速度比較快，導致圖像特性不穩(wěn)定。例如無人機在工作的時候，由于受實際的溫度、氣壓、風力、光照條件等氣象條件因素影響，無人機所獲得的數據質量有時間差，如模糊、高曝光、偏離航線等；為了獲得較高質量的無人機圖像，有時需要采取低空、盤旋等多變飛行模式對目標進行跟蹤。這會使得待拍攝物體與無人機之間產生明顯的相對運動，導致圖像畸變較大等問題，還可能會出現工作量大、效率低等一系列問題。

3 無人機在測繪工程中的應用

3.1 地形圖測繪

首先，無人機要拍出地面影像圖，在計算機輔助下完成正射影像糾正，對正射影像建模，形成具有外定向的實地三維數字模型，對立體模型進行立體測量與矢量化；其次，對圖像進行識別，難以識別的到實地檢查圖片內容正確與否；最后，完成數字線畫圖（DLG）等工程需要各種圖紙。

3.2 征地測量

征地測量為我國經濟建設提供數據支持保障。很多時候，村民們之間都會存在各種各樣分歧。對于那些山區(qū)起伏較大的土地征地，按照國家統(tǒng)一規(guī)定是以平面面積為測量準確面積，而在實際中丈量斜邊計算面積，會產生很大分歧。如果利用無人機統(tǒng)一進行航攝，然后利用正射影像圖勾繪，這樣就會極大地降低村民間糾紛，還會降低村民們對面積上認可度所帶來的一系列問題。

3.3 新農村建設測繪

一般測繪房屋、交通、水系等主要地理要素。為房屋測量數據準確性，在調查時需實地拉邊長，進行改正。

綜上所述，測繪技術對于社會進步和發(fā)展有著不可替代作用，加強無人機測繪技術研究與應用，就能夠有效地提高測繪工作效率，它是加快數字城市建設，增強各地區(qū)規(guī)劃個管理效率技術支撐，因此無人機遙感技術將極大地提高測繪技術效率，全面推進測繪技術進步，我們要潛心鉆研更新技術手段，更好更快地發(fā)展無人機技術，發(fā)展測繪技術。

4 無人機圖像拼接技術

4.1 圖像拼接基本流程

圖像拼接技術包含多個學科知識，它涉及到多個領域知識，這些領域有計算機視覺、計算機圖形學和圖像處理等。圖像拼接技術就是將無人機航攝、很多具有重疊度影像圖進行拼接，形成大全景圖，就可以獲取更為全面、精確的信息。圖像拼接過程比較復雜，通常來說，它包括圖像預處理、特征提取、圖像配準和圖像融合幾個步驟，其中還涉及較多并且比較復雜算法，它關鍵技術主要包括圖像配準和圖像融合這兩部分，其中圖像拼接關鍵部分是圖像配準技術，它將直接影響到圖像拼接效果和圖像拼接效率。

在無人機進行航攝的過程中，由于受行攝條件限制，還有機身可能不水平等問題影響，如果直接對無人機所取得遙感圖像做拼接，肯定就會產生較大誤差，所以圖像拼接的首要工作就是要對圖像進行預處理。圖像預處理就是為保證最后圖像拼接的精度。預處理具體工作就是對待拼接序列圖像進行幾何校正、噪聲抑制以及圖像增強處理；圖像配準經過構造圖像之間變換模型，實現待處理圖像和參考圖像在空間上逐一對應關系。圖像配準主要由獲取待配準圖像信息、進行信息匹配、配準模型構建等步驟組成，完成圖像配準后，就需要對無人機所獲取遙感圖像進行圖像融合工作。因為在圖像配準過程中可能會存在一些誤差，所以就會導致有些像素點不能夠精確配準。因此在工作人員選取圖像來進行融合時，要盡量避免圖像配準過程中遺留下來變形和圖像之間亮度差異對圖像融合效果影響，完成圖像無縫拼接。

4.2 圖像拼接的特點

由于圖像拼接技術處理的對象是多幅具有一定重疊度的遙感影像，與其他圖像處理技術相比，圖像拼接技術有其獨特的特點，包括針對性、多樣性以及復雜性。

4.2.1 針對性。無人機航攝所獲取的圖像內容是不盡相同的，不同內容的圖像，其特點也是大不相同的。但是由于某些圖像是在某些特定條件下獲取的，所以需要特定的圖像拼接算法來進行圖像的拼接。通常來說，這些特定算法具有極強的針對性，所以圖像拼接算法可能只適用于一些特定情況下的圖形拼接，其他的條件可能就不適用。

4.2.2 多樣性。圖像拼接技術的多樣性，主要表現在圖像處理的復雜性和不可把握性，具體表現在以下三方面：首先，客觀的現實世界擁有奇形怪狀、各具特色的自然物體和人造物體，這就會導致圖像的內容各有差異；其次，由于各種光照條件的變化和宇宙世界中不可避免的物體運動，都會導致相機采集的具有重疊度的相鄰圖像有明顯的差別；最后，由于相機在圖像采集過程中可能會出現平移、旋轉和縮放等多種不同的運動方式，這樣就會使得無人機所獲取的遙感圖像擁有不同的特性。

4.2.3 復雜性。圖像拼接技術需要通過對多幅圖像進行采集，然后經過幾個環(huán)節(jié)生成沒有縫隙的全景圖。所以它很復雜，是多種圖像處理算法和手段的總和。

針對以上的這些特點，在進行圖像拼接時，一定要找到適合的方法進行工作，以得到最好的全景圖像。

4.3 圖像拼接常用方法

4.3.1 基于圖像灰度方法。該方式不需要提取圖像特征，而是以兩張圖像之間重疊區(qū)域在RGB顏色系統(tǒng)中所對應灰度級相似程度為準則尋找圖像配準位置，該方法通常需要定義一個代價函數，它是用來衡量兩幅圖像相似度。例如，對圖像重疊區(qū)域灰度差平方和，對模型參數進行優(yōu)化，同時因為該方法需要利用圖像的一些屬性，所以一般都要求這部分有較小屬性差異。

4.3.2 基于變換域方法。該方法就是利用傅立葉變換，將圖像由空域變換到頻域，然后通過它們相互功率直接計算得出兩幅圖像間平移矢量，繼而完成圖像配準工作。

4.3.3 基于圖像特征方法。該方法通過提取圖像邊緣和輪廓線等特征，通過構造方程、數值計算等工作，獲得圖像變換參數，然后進行圖像匹配。這種方法能比較好適應圖像變形、遮擋和灰度變化等問題。這種方法需要進行特征提取、特征匹配、選取變換模型、求取參數、坐標變換及插值等工作。

4.4 無人機圖像拼接的關鍵問題

4.4.1 遙感影像處理的工作，可能會存在工作量大、效率低等問題，是因為無人機遙感影像數量多并且像幅小，所以處理起來會比較復雜。

4.4.2 無人機在進行航拍工作時，有時遇到的天氣狀況可能會很惡劣，這就會出現遙感影像的灰度不一致、傾角大、航向重疊度無規(guī)律等一系列問題，而且這些問題使得遙感影像的匹配精度低且難度大，從而導致其獲取的外方位元素精度也會比較低。

4.4.3 在無人機進行航拍工作時，其飛行路線可能不完全是直線，因而可能就會導致航拍的影像的旁向重疊度非常不規(guī)則，這樣就會影響圖像配準以及最后融合的精度和效率。

4.4.4 在一些突發(fā)災害的情況下，由于道路被嚴重損壞，就會導致工作人員不能夠到達無人機拍攝的區(qū)域，設置地面控制點。因此在條件復雜且惡劣的地理環(huán)境和缺少控制點的情況下，進行幾何校正也成為了遙感影像快速處理的關鍵工作之一。

5 結語

利用無人機技術可以很方便地獲取圖像數據，關鍵技術在于無人機遙感影像數據能真實反映地形狀況，在測繪工程中有很多方面的應用。在處理圖像的時候，必須進行遙感圖像幾何校正、無縫拼接和質量評價等工作，以便于更高效、更準確地獲取相關的信息。

參考文獻

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