DPGRID处理无人机数据的生产实践

2013-08-22吴国青

科技视界 2013年9期

吴国青

（苏州武大影像信息工程研究院有限责任公司，江苏苏州 215163）

0 引言

这些年随着国家大力推广应用国产低空无人飞行器航测遥感系统在国家应急救灾、国土资源监察、数字城市建设和新农村测绘保障等领域均取得了不少成绩。相对于传统航测航空审批周期长、专业摄影设备、成本大等情况，低空无人飞行器具有机动灵活，操作简单，可以便捷高效进行数据获取，而且获取的影像具有高分辨率、高清晰度，逐渐成为常规航空摄影的一种有效补充手段。

本文通过阐述在江苏某地成功运用低空无人飞机进行影像数据获取，采用武汉大学张祖勋院士领衔研制的新一代数字摄影测量网格系统（DPGrid）[1]进行低空数据处理来生产 1：1000 DLG、DOM，对工程实施中关键点工艺流程进行阐述，并对成果精度进行了评定，总结验证无人机航测可应用于大比例尺航测成图。

1 工作流程及关键技术

1.1 测区概况及任务

本项目测区位于江苏苏北某市郊区，测区内地势低平，居民地大都沿河呈一字型分布较有规律，多为农田，测区面积为30 km2，测区范围如图1。

图1 测区范围

图2 作业流程

1.2 工作流程

采用低空无人飞机航测的作业流程包括低空航测、像控测量、自动空三、立体测图、外业调绘及编图、DOM制作等。其中关键的质量点包括低空航测规划、相机检校及畸变改正、像片控制点的布设及测量、自动空三、无缝测图、DOM匀色镶嵌。相对传统作业流程，低空航测作业流程如图2所示。

1.3 低空航测规划

低空航测一般选用性能可靠、可有一定载荷、有稳定云台、续航能力强、安全系数高的无人飞行器，本次选用机长约2米的滑跑式无人飞机，最大载重为2kg，航摄相机采用佳能 5D Mark II非量测相机，焦距为 35mm，像幅为 3744×5616，像素大小为 6.4μm。航摄采取短边飞行方向，根据现场踏勘情况及当日风速风向情况进行航线规划，设计按航向重叠度为70%、航间重叠度为40%，地面分辨率为7cm，航高为400米，航速控制在100公里/时左右以减小像素位移误差。

图3 畸变改正前

图4 畸变改正后

为确保飞机在空中姿态的稳定性，减小旋片角、横滚角的角度，飞行采用与风向平行飞行，共飞行两架次，拍摄相片2600多张，组成27个航带，单个航带最少为32张，最多为145张。航向重叠度为70%～80%，航间重叠度为25%～45%。拍摄的影像实际地面分辨率为7.7cm，对照规范标准完全满足1：1000 DLG制作的要求。

1.4 相机检校及畸变改正

采用佳能5D Mark II相机属于非量测相机。因民用非量测相机拍摄的影像畸变差大，直接关系到成果的几何精度，故航摄前需对相机进行畸变检校，航摄后对影像进行畸变改正。本流程是低空摄影测量中非常重要的一步。

通过CCD相机获取的影像，其几何畸变主要来自光学误差和电学误差[2]。光学误差主要是指相机光学镜头所产生的镜头畸变差，它包含对称畸变差和非对称畸变差，镜头畸变差在影像上一般表现为中心小、周边大的特点。CCD相机的电学误差主要表现在CCD影像上呈现一种抖动状。该误差通常可简化成像素的长宽尺度比例因子和像平面X轴与Y轴不正交所产生的畸变。综上，像点坐标畸变差改正的公式可简化为[3]：

（1）式中，x与y是像点坐标，x0与y0是像主点坐标，kn(n为自然数)是待定的径向畸变差系数，p1与p2是待定的非对称畸变系数，r是以像主点为极点的向径。在实际应用中，径向畸变系数kn通常取到k3即能满足要求。

做完畸变改正后可对影像进行目视检查，一般畸变改正后的影像呈桶形向外扩散，见图3、4所示。

如需进一步的检测畸变参数的准确性需进行影像相对定向。

1.5 像片控制点的布设及测量

区域网布点采用平高控制点按整体进行布设。根据相机参数、相对于成图比例拍摄的放大倍数、相对航高、视差量测的单位权中误差等确定像片控制点航向基线数跨度。其公式如下：

（2）（3）式中：ms为连接点（空三加密点）的平面中误差，单位为 mm；mh为连接点（空三加密点）的高程中误差，单位为m；K为像片放大成图的倍数；H为相对航高，单位为m；b为像片基线长度，单位为mm；mq为视差量测的单位权中误差，单位为mm；n为航线方向相邻平面控制点的间隔基线数。

由于低空影像重叠度变化大，可按以上公式（2）（3）计算满足最弱点连接点的平面高程中误差要求的像片控制点航向基线数跨度。一般情况下，在视差量测的单位权中误差接近1/3像素左右条件下，平高控制点的航向间隔基线数参照公式（2）（3）计算为6～8条，旁向间隔为2～4条。

由于低空数码影像像幅小、影像数量多，只有在DPGrid工程管理系统中做完自由网平差后进行满足像片选点条件的布点。

外业采用GPS RTK测量像控点的三维坐标是非常高效与可靠的，测量时根据内业制作的刺点片拍摄现场测量点位位置近景远景照片及量取比高。

1.6 自动空三

本项目低空数据处理采用武汉大学张祖勋院士领衔研制的新一代数字摄影测量网格系统（DPGrid），DPGrid将计算机网络技术、并行处理技术、高性能计算技术与数字摄影测量处理技术相结合，它包括工程管理模块、自动空三模块及产品生产模块[4]。

根据测区范围所示，将影像按照正确的飞行方向在DPGrid工程下进行航带排列，待上下航带首片相互对齐后，采用基于最小二乘匹配算法进行自动匹配，设置航向匹配搜索范围参数为25%、航间匹配参数搜索范围为15%。匹配完成后进行5×5×3自动智能挑点，通过多张影像多基线构建局部自由网平差剔除误差匹配点，高精度保留标准点位定向点，使航片上加密点在50个以上并尽可能均匀分布。通过大量高精度、高强度的加密点进行模型连接，增加了模型连接强度。

最后，采用光束法平差方法剔除错误像点，若系统存在固定误差时可加入12参数以上的系统误差改正模型进一步提高空三精度，达到测图要求的空三相关精度指标应与航空规范中相关要求相一致。

1.7 无缝测图

由于低空影像像幅小，重叠度大，就会导致模型基高比变小，进而导致测图时高程精度降低。同时影像数量多，会导致模型数量同比例变多，相对传统航片来说，测同一幅图，调用的模型数目多，模型之间来回切换频繁。采用苏武现代数字摄影测量系统—无缝测图模块只要加载DPGrid空三平差后的外方位元素及畸变改正后的影像就可进行测图，测图过程中可以自动根据目标地物坐标切换模型，同时可以根据最佳交会角进行测量，避免传统立体测图需要做相对定向、绝对定向的作业过程，大大提高了作业的方便性。

1.8 DOM匀色镶嵌

处理低空影像的颜色问题，在DOM镶嵌制作过程中是一项重要的工序。一般来讲，影响正射影像最终颜色质量的主要因素一是单张影像内部亮度分布不均匀二是多张影像间色彩差异较大[5]。在DPGrid正射镶嵌系统中通过建立基于模板比值等多种算法对单张影像逐一进行匹配匀光，多张影像间采用基于Wallis滤波器的匀色处理[6]，这样很好地解决了以上问题。

采用快速镶嵌方法而成的图内镶嵌线相对规整，能够方便且易于人工编辑处理解决局部拼接线及色调差的问题。相比系统提供智能蚁群算法镶嵌更适合目视图面检查及修改。局部如大面积水系色差等现象的调整可调取photoshop修改后回存，回存调整羽化值，可以很好地处理图像色差问题。