無(wú)人機(jī)大比例尺免像控關(guān)鍵技術(shù)探討

王永菊,龔克,東正蘭

(1.青海省基礎(chǔ)測(cè)繪院,青海 西寧 810001;2.青海省測(cè)繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,青海 西寧 810001)

0 引 言

航天攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)于獲取大范圍的地形圖具有一定的優(yōu)勢(shì),對(duì)于小區(qū)域地形圖而言成本高[1-2]．低空無(wú)人機(jī)因體積小而具有機(jī)動(dòng)靈活、生成成本低以及時(shí)效性較強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急處理、城市自然環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[2]．

傳統(tǒng)攝影測(cè)量生產(chǎn)周期長(zhǎng)、作業(yè)效率低,對(duì)于小區(qū)域的大比例尺、高精度地形圖獲取通常采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方法．由于無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中姿態(tài)不穩(wěn)定、容易受飛行環(huán)境的影響,需要布設(shè)大量的外業(yè)像控點(diǎn)為正射影像的制作提供空間坐標(biāo)基礎(chǔ),大量外業(yè)控制點(diǎn)的測(cè)量成為影響無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)獲取大比例地形圖效率的主要因素．陳登等[3]針對(duì)高差、地勢(shì)起伏較大的區(qū)域難以獲得理想的空三結(jié)果,通過(guò)在航攝前期布設(shè)大量外業(yè)像控點(diǎn),并將采集的像控點(diǎn)參與空三加密過(guò)程,提高空三的精度與速度,但飛行前布控需要計(jì)算地面標(biāo)識(shí)的尺寸大小、且難以保證所采集的像控點(diǎn)都能用于空三處理,一定程度上增加外業(yè)工作量,而且內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)引入刺點(diǎn)誤差對(duì)空三精度的影響．為了避免外業(yè)采集的像控點(diǎn)不能有效地利用,姜丙波等[4]采用先航空攝影獲取影像數(shù)據(jù),利用生成的正射影像人工刺點(diǎn),均勻選取待測(cè)的外業(yè)像控點(diǎn),該方式需要具有較好知識(shí)的作業(yè)人員利用立體模型結(jié)合內(nèi)外業(yè)知識(shí)選擇合適的控制點(diǎn),保證選取點(diǎn)清晰、明顯,避免邊緣處及重疊現(xiàn)象．目前在像控點(diǎn)密度方面,缺少定量指標(biāo)參數(shù),往往需要內(nèi)、外業(yè)作業(yè)人員長(zhǎng)期合作形成默契配合,保證空三精度滿足應(yīng)用需求．為了降低像控點(diǎn)刺點(diǎn)引入的刺點(diǎn)誤差,賈彥昌等[5]、朱曉康[6]采用天狼無(wú)人機(jī)免像控航攝系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪生產(chǎn),縮短整個(gè)航測(cè)作業(yè)的生產(chǎn)周期,減少外業(yè)工作量,避免受外業(yè)天氣的影響,減少空三生產(chǎn)過(guò)程內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)難以刺準(zhǔn)的影響,提高生產(chǎn)作業(yè)效率,但該航攝系統(tǒng)價(jià)格較高,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中難以推廣．

鑒于此,本文提出無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的大比例尺免像控關(guān)鍵技術(shù)探討．首先,通過(guò)影像畸變改正模型對(duì)影像進(jìn)行畸變修正,對(duì)修正好的影像進(jìn)行匹配提起同名點(diǎn)對(duì),利用多種約束策略剔除誤匹配點(diǎn);然后,利用GodWork軟件的AAT模塊進(jìn)行引入曝光延遲的光束法區(qū)域平差方法,對(duì)每個(gè)分區(qū)域進(jìn)行空三處理,獲取影像精確的外方位元素信息,為保證測(cè)區(qū)整體精度一致性及不同測(cè)區(qū)影像接邊滿足精度要求,對(duì)多個(gè)分區(qū)進(jìn)行整體一致性空三處理;最后,利用精確的外方位素構(gòu)建立體模型,統(tǒng)計(jì)引入曝光延遲的光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法的精度,為大比例尺測(cè)圖提供一種思路．

1 無(wú)人機(jī)大比例尺免像控關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)優(yōu)勢(shì)明顯,但平臺(tái)上搭載的內(nèi)方位元素未知、存在較大的光學(xué)畸變差的小像幅數(shù)碼相機(jī)獲取影像數(shù)據(jù),往往需要大量的外業(yè)像控點(diǎn)參與區(qū)域網(wǎng)平差來(lái)滿足空三精度要求,增加外業(yè)的作業(yè)難度以及工作量．

1.1 鏡頭畸變改正

采用搭載數(shù)碼相機(jī)的無(wú)人機(jī)設(shè)備,在獲取影像數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)碼相機(jī)鏡頭存在畸變現(xiàn)象,獲取影像數(shù)據(jù)的像空間坐標(biāo)與真實(shí)的坐標(biāo)位置存在一定的差異．由于數(shù)碼相機(jī)焦距固定,因此獲取的影像具有相同的影像畸變誤差．在影像數(shù)據(jù)匹配、空三處理前需要對(duì)數(shù)碼相機(jī)獲取的影像進(jìn)行幾何畸變糾正,即通過(guò)已知畸變模型參數(shù)對(duì)影像上的每個(gè)像元進(jìn)行畸變模型改正,確保改正后影像上灰度值不變[7]．?dāng)?shù)碼相機(jī)的鏡頭畸變校正模型可以表示為

(1)

(2)

數(shù)碼相機(jī)自標(biāo)定的方法通過(guò)一個(gè)擬合過(guò)程來(lái)消除一些未知的系統(tǒng)誤差,建立影像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,提高相機(jī)標(biāo)定后參數(shù)精度,但在不同架次之間的標(biāo)定參數(shù)可能會(huì)存在較大的差別,從另一方面也說(shuō)明通過(guò)標(biāo)定相機(jī)參數(shù)可以消除一些系統(tǒng)誤差．

1.2 GPS輔助光束法平差模型

GPS輔助光束法平差能有效地避免空三過(guò)程需要大量外業(yè)控制點(diǎn)問(wèn)題,采用傳統(tǒng)的載人飛機(jī)GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差依賴價(jià)格昂貴的GPS/POS系統(tǒng),該裝置一般會(huì)配置專業(yè)的時(shí)間同步曝光設(shè)備,獲取相機(jī)曝光時(shí)刻影像中心的姿態(tài)、位置信息用于后期空三初始參數(shù)[8-10]．平差模型如下:

(3)

(4)

獲取影像數(shù)據(jù)過(guò)程中若飛行平臺(tái)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的飛行速度,以單條航帶為平差基本單元采用傳統(tǒng)的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法,可以一定程度地減弱GPS相位中心與相機(jī)獲取影像曝光時(shí)刻存在的曝光延遲誤差帶來(lái)的幾何偏移;通過(guò)在平差模型中引入一個(gè)固定的位置常量參數(shù)來(lái)補(bǔ)償由于曝光延遲帶來(lái)的偏移誤差,減弱曝光延遲誤差帶來(lái)幾何定位精度較差問(wèn)題,減弱無(wú)人機(jī)影像空三處理過(guò)程中對(duì)外業(yè)像控點(diǎn)的依賴程度,提高測(cè)圖作業(yè)效率;但考慮到無(wú)人機(jī)平臺(tái)的不穩(wěn)定性、載重能力的限制,難以在搭載相機(jī)的同時(shí)搭載笨重的POS系統(tǒng)以及相機(jī)曝光同步設(shè)備,導(dǎo)致相機(jī)曝光獲取數(shù)據(jù)時(shí)刻導(dǎo)航型GPS記錄的位置與姿態(tài)信息與實(shí)際相機(jī)曝光時(shí)刻的位置與姿態(tài)信息存在嚴(yán)重的不一致問(wèn)題,而無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程容易受到外界環(huán)境的影響難以保持穩(wěn)定的狀態(tài),在相機(jī)曝光各個(gè)瞬間飛行的瞬時(shí)速度與瞬時(shí)姿態(tài)各不相同,因此,依然采用傳統(tǒng)的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法存在一定的不合理性．

1.3 顧及曝光延遲的GPS輔助光束法平差模型

傳統(tǒng)的GPS輔助光束法區(qū)域平差方法缺少對(duì)曝光時(shí)刻平臺(tái)飛行速度不穩(wěn)定性帶來(lái)的曝光延遲不一致問(wèn)題的考慮,導(dǎo)致空三平差處理后影像定位精度與理論值相差較大,難以滿足高精度大比例尺測(cè)圖需求,很大程度上限制了利用低空無(wú)人機(jī)進(jìn)行高精度立體測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域．

結(jié)合無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的作業(yè)特點(diǎn),考慮相機(jī)曝光延遲導(dǎo)致曝光瞬間的位置偏移問(wèn)題,針對(duì)各曝光點(diǎn)的曝光延遲模型通過(guò)曲線約束的曝光延遲模型(模型原理見圖1)進(jìn)行逐點(diǎn)曝光補(bǔ)償[11]．相比較傳統(tǒng)方法,顧及曝光延遲模型的無(wú)人機(jī)GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法,更加側(cè)重對(duì)各曝光點(diǎn)的曝光延遲誤差進(jìn)行逐點(diǎn)曝光補(bǔ)償,適合速度不穩(wěn)定的無(wú)人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差處理．在模型解算過(guò)程中,將曝光延遲作為未知參數(shù)與其他系統(tǒng)誤差一并帶入誤差方程組進(jìn)行統(tǒng)一求解,消除由曝光不同步所帶來(lái)的誤差影響,從而提高GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法的解算精度．

圖1 曲線約束的曝光延遲模型

曲線約束曝光延遲模型的GPS光束法區(qū)域網(wǎng)平差的模型可以表示為

(5)

2 實(shí)例分析

本文采取以成都縱橫大鵬無(wú)人機(jī)公司CW-10垂直無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái),搭載主距為35.00 mm、像幅為7360×4912像素大小的SONYILCE-7R相機(jī),采集某地區(qū)長(zhǎng)約6.0 km、寬約5.0 km的丘陵山地類型數(shù)據(jù)．采用后差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)處理技術(shù)處理POS數(shù)據(jù),以GodWork軟件的AAT模塊結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺最新理論和算法解決攝影測(cè)量的像點(diǎn)量測(cè)與平差等問(wèn)題,測(cè)試1∶500無(wú)像控大比例測(cè)圖的可行性．

2.1 航測(cè)流程

利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺免像控技術(shù)生產(chǎn)測(cè)繪產(chǎn)品主要分為三個(gè)階段:影像數(shù)據(jù)獲取階段、利用影像數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線約束曝光延遲模型的光束法區(qū)域網(wǎng)平差優(yōu)化影像的定向參數(shù)階段以及立體模型精度驗(yàn)證階段,基本流程如圖2所示．

圖2 技術(shù)流程

2.2 飛行航線設(shè)計(jì)

針對(duì)地形高差較大的測(cè)區(qū)范圍根據(jù)測(cè)區(qū)概況,采用CWCommander軟件進(jìn)行自動(dòng)分區(qū)設(shè)計(jì),確保區(qū)域間的接邊重疊度,通過(guò)精確的地形跟飛模式,以獲取有效的影像分辨率．測(cè)區(qū)1設(shè)定地面采樣距離為5 cm,航高為319 m,航向重疊80%,旁向重疊65%,預(yù)計(jì)飛行5個(gè)架次．測(cè)區(qū)1的航線設(shè)計(jì)如圖3(a)所示．將9個(gè)測(cè)區(qū)采用變航高線設(shè)計(jì)的方式,對(duì)每個(gè)分塊測(cè)區(qū)進(jìn)行飛行線設(shè)計(jì),共飛行52次,獲取影像76 890張,將CWCommander軟件生成的航線導(dǎo)入谷歌地圖中,展示如圖3(b)．

(a)測(cè)區(qū)1航線設(shè)計(jì)圖 (b)測(cè)區(qū)航線示意圖圖3 變航高航線飛行方案

CW-10無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上集成高精度定位、定姿設(shè)備,在獲取影像時(shí)能夠獲取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置和姿態(tài)信息即每張影像的外方位元素,通過(guò)后期引入曲線約束曝光延遲模型的光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法精確獲取影像的外方位信息,因此可在架設(shè)基準(zhǔn)站的情況下獲取影像數(shù)據(jù)而無(wú)需單獨(dú)再布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)．

2.3 空三計(jì)算及精度分析

通過(guò)影像初始外方位元素參數(shù)估計(jì)影像的仿射變換矩陣,并對(duì)影像進(jìn)行仿射變換糾正,然后進(jìn)行基于SIFT算法的影像匹配提取初始同名點(diǎn),最后通過(guò)歸一化相關(guān)測(cè)度約束、極限約束以及主方向差值一致性約束等多種約束策略[12]剔除誤匹配點(diǎn)獲取最終的精確同名點(diǎn)坐標(biāo)．針對(duì)數(shù)碼相機(jī)曝光時(shí)刻無(wú)人機(jī)飛行速度不一致導(dǎo)致曝光延遲存在一定差異,采用傳統(tǒng)的航空攝影的曝光延遲補(bǔ)償模型存在一定的局限性,本文采用引入曝光延遲誤差模型的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法．在每一個(gè)小測(cè)區(qū)內(nèi)部將每張影像的曝光延遲作為未知參數(shù)引入到GPS輔助的光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型中同其他系統(tǒng)待求誤差列誤差方程組,通過(guò)最小二乘平差算法解算每張影像的曝光延遲時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外方位元素改正量,提高影像的定位精度,避免因外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量、像點(diǎn)刺點(diǎn)等工作帶來(lái)的偶然誤差;每個(gè)子區(qū)域空三完成后,為保證接邊區(qū)域無(wú)縫拼接以及整個(gè)測(cè)區(qū)定位精度的整體一致性,對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體空三,為后續(xù)DSM以及DOM生產(chǎn)提供精度保證．為了驗(yàn)證引入曝光延遲的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的精度,在工程范圍內(nèi)均勻選取了27個(gè)明顯的特征點(diǎn)作為地面檢查點(diǎn),采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)作業(yè)模式獲取外業(yè)控制點(diǎn)的坐標(biāo),將空三加密后的坐標(biāo)與外業(yè)采集坐標(biāo)進(jìn)行比較,統(tǒng)計(jì)X、Y、H三個(gè)方向的誤差．分區(qū)域空三、整體空三如圖4(a)、(b)所示,整體空三后的統(tǒng)計(jì)精度如表1所示.

(a)其中一塊空三完成狀態(tài)圖 (b) 合并空三示意圖圖4 空三示意圖

表1 空三加密精度統(tǒng)計(jì)表 cm

根據(jù)表1空三精度報(bào)告結(jié)果可知:在具有高精度后差分GPS的條件下,不使用地面控制點(diǎn),使用godwork-AAT模塊進(jìn)行引入曝光延遲的GPS輔助平差,空三精度能達(dá)到低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范規(guī)定的1∶500的規(guī)范要求,檢查點(diǎn)平面精度約為7.3 cm,高程精度約為8.9 cm,小于規(guī)范要求的平面精度17.5 cm和高程精度的28 cm,滿足1∶500大比例尺測(cè)繪需求．

2.4 立體模型精度驗(yàn)證

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)空三精度,利用生成的影像外方位元素信息構(gòu)建測(cè)區(qū)的立體模型,在立體模型上量測(cè)典型目標(biāo)的特征值與外業(yè)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析,統(tǒng)計(jì)立體模型精度．通過(guò)外業(yè)測(cè)量50個(gè)檢測(cè)點(diǎn)以及30個(gè)地物長(zhǎng)度與在立體模型上量測(cè)的空間坐標(biāo)、長(zhǎng)度進(jìn)行比較,統(tǒng)計(jì)立體模型的絕對(duì)定位精度(表2)與相對(duì)精度(表3),表中坐標(biāo)位置僅后三位不同,為顯示方便,僅顯示后三位．

表2 絕對(duì)定位精度 cm

表3 相對(duì)精度(邊長(zhǎng)誤差統(tǒng)計(jì)) cm

由表2可知:采用空三后的影像定向參數(shù)構(gòu)建的立體模型絕對(duì)定位精度平面誤差為9.8 cm,高程誤差為12.5 cm,滿足1∶500的大比例尺測(cè)圖要求;由表3可知:由立體模型上量測(cè)物體邊長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)立體模型的相對(duì)精度,邊長(zhǎng)中誤差為5.04 cm,且模型的相對(duì)誤差集中分布整體達(dá)到厘米級(jí),沒有出現(xiàn)過(guò)大或過(guò)小的誤差,整體一致性較好,滿足1∶500的大比例尺測(cè)圖要求．

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地形高差較大的測(cè)區(qū),根據(jù)測(cè)區(qū)概況選用縱橫大鵬CW-10垂直無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)分區(qū)域采用精確的地形跟飛變航高模式獲取有效的影像分辨率,利用GodWork軟件的AAT模塊引入曝光延遲模型的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行顧及無(wú)人機(jī)飛行速度不穩(wěn)定引入曝光延遲誤差不一致問(wèn)題;通過(guò)分區(qū)域平差處理獲取影像高精度的空三結(jié)果,避免區(qū)域高程較大導(dǎo)致空三難以獲取有效的精度;多區(qū)域整體一致性平差保證影像內(nèi)部精度一致性,避免影像接邊處出現(xiàn)較大的接邊誤差問(wèn)題．最后通過(guò)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本文提出的無(wú)人機(jī)大比例尺免像控技術(shù)的可行性,整體到達(dá)1∶500大比例尺測(cè)圖需求,為后續(xù)處理大區(qū)域高差較大的大比例尺測(cè)圖提供一種思路．