無人機(jī)航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)快速處理方法

趙　杰　張聰聰

(1.山西省地震局，山西 太原　030021；2.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾　041000；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原　030025)

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無人機(jī)航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)快速處理方法

趙杰1,3張聰聰2,3

(1.山西省地震局，山西 太原030021；2.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾041000；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原030025)

根據(jù)航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)處理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從影像拼接、生成密集點(diǎn)云、構(gòu)建DEM和DOM、成果導(dǎo)出等方面，介紹了利用Agisoft PhotoScan軟件對(duì)無人機(jī)航攝影像進(jìn)行快速處理的方法，指出該方法具有高效、便捷、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

無人機(jī)航攝，影像處理，PhotoScan，DEM

利用無人機(jī)作為攝影平臺(tái)，搭載CCD相機(jī)作為影像數(shù)據(jù)獲取工具，形成無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)是近年來航空攝影測(cè)量及遙感技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)方向。無人機(jī)航測(cè)具有機(jī)動(dòng)靈活、易用性好、成本低、效率高、低空作業(yè)獲取的影像分辨率高等特點(diǎn)，在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取和小區(qū)域測(cè)繪等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。無人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，易受天氣、地形等的影響，其獲得的影像畸變復(fù)雜、旋偏角大，采用傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量軟件對(duì)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理時(shí)作業(yè)周期太長(zhǎng)，且對(duì)飛行控制、航線敷設(shè)、航片質(zhì)量有嚴(yán)格的規(guī)定。隨著無相控航空攝影測(cè)量理論的成熟、消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的迅猛發(fā)展和價(jià)格降低，無人機(jī)獲取高分辨率影像快速制作地形圖產(chǎn)品得到了廣泛的重視和應(yīng)用。本文以大疆無人機(jī)獲取無人機(jī)影像，介紹了利用Agisoft PhotoScan軟件對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)快速拼接、生成數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)的無人機(jī)影像快速處理方法。

1　Agisoft PhotoScan簡(jiǎn)介

Agisoft PhotoScan是由俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的攝影測(cè)量影像處理軟件，基于計(jì)算機(jī)視覺對(duì)影像進(jìn)行三維重建，由靜態(tài)影像圖片自動(dòng)生成密集點(diǎn)云、紋理化的多邊形模型、具有地理參考信息的數(shù)字地形模型。軟件只需要導(dǎo)入具有一定重疊率的照片，無論是精細(xì)的工業(yè)模具還是大量的航空攝影測(cè)量影像，其都可以通過自動(dòng)化的工作流程進(jìn)行處理，可得到精確度高、細(xì)節(jié)豐富的結(jié)果。支持GPU加速計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)分布式處理，在處理海量影像數(shù)據(jù)時(shí)可提高拼接和三維重建的效率。支持多種相機(jī)的影像數(shù)據(jù)，包括單幅相機(jī)、魚眼鏡頭相機(jī)以及球面鏡頭相機(jī)。軟件支持Python語(yǔ)言，可通過腳本控制作業(yè)自動(dòng)化流程。

2　影像處理流程

根據(jù)Agisoft PhotoScan的特點(diǎn)制訂的無人機(jī)影像快速處理流程如圖1所示。

1)無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。無人機(jī)的用途和種類十分豐富，其獲取的POS數(shù)據(jù)格式有所差別，需要將不同格式的POS數(shù)據(jù)編輯為PhotoScan認(rèn)可的格式，方可導(dǎo)入軟件中。一般來講，無人機(jī)在影像獲取作業(yè)中，自身帶有GPS和IMU構(gòu)成的POS系統(tǒng)，可以獲得飛行過程中的WGS-84坐標(biāo)以及無人機(jī)的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)[2]。部分無人機(jī)的影像數(shù)據(jù)寫入了拍攝時(shí)的GPS數(shù)據(jù)，PhotoScan可從照片的EXIF信息中讀取到位置信息，此外無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)不是必需的，此時(shí)就不需要再次導(dǎo)入影像的POS數(shù)據(jù)。

2)導(dǎo)入并對(duì)齊影像。打開PhotoScan添加無人機(jī)影像，當(dāng)航攝區(qū)域面積較大時(shí)可以分區(qū)處理，每個(gè)區(qū)域的照片數(shù)量不必太多，這樣可充分利用計(jì)算機(jī)的性能，也可提高影像處理的效率。本文中導(dǎo)入的大疆無人機(jī)影像數(shù)據(jù)中已經(jīng)寫入了位置信息，無需導(dǎo)入影像POS數(shù)據(jù)。導(dǎo)入照片后可以設(shè)置影像的坐標(biāo)參考系、相機(jī)精度、標(biāo)記精度、標(biāo)尺精度等。接著進(jìn)行照片對(duì)齊，照片對(duì)齊的精度從低到高分為5個(gè)級(jí)別，精度越低照片的對(duì)齊速度越快。軟件利用多視圖三維重建技術(shù)可自動(dòng)計(jì)算照片的位置、姿態(tài)等，可在自動(dòng)過程中進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向和絕對(duì)定向。

3)生成密集點(diǎn)云。PhotoScan可根據(jù)估算的相機(jī)位置計(jì)算出深度信息進(jìn)行合并為單一的密集點(diǎn)云。可選擇生成的密集點(diǎn)云的質(zhì)量，由低到高分為5個(gè)級(jí)別，質(zhì)量越高處理的速度越慢，可按需選擇合適的點(diǎn)云質(zhì)量。在災(zāi)害應(yīng)急航攝時(shí)，可降低點(diǎn)云質(zhì)量以加快處理速度。可按需裁剪或刪除部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)。生成密集點(diǎn)云后，假如最終成果需要得到多邊形三維模型，可以進(jìn)一步構(gòu)建網(wǎng)格，假如只需要獲得正射影像和DEM，則不需要這一操作。生成網(wǎng)格后，可通過幾何圖元編輯功能刪除不需要的面。假如無人機(jī)原始影像數(shù)據(jù)的重疊度不夠，生成的網(wǎng)格模型可能存在孔洞，可通過PhotoScan關(guān)閉孔洞。此外，要得到多邊形模型，還需要生成紋理。

4)生成DEM。基于密集點(diǎn)云或者網(wǎng)格模型可生成數(shù)字高程模型(DEM)，由于生成網(wǎng)格模型的步驟并不是必須的，另外為了提高DEM精度，通常選擇密集點(diǎn)云作為生成DEM的源數(shù)據(jù)，可設(shè)置生成DEM的分辨率。生成的DEM如圖2所示。

5)生成數(shù)字正射影像。通常將DEM作為數(shù)字正射影像的表面。數(shù)字正射影像的像素尺寸可根據(jù)無人機(jī)原始影像的平均分辨率來確定。根據(jù)選擇的表面區(qū)域大小和輸入的像素尺寸可計(jì)算出生成的正射影像的大小。生成的數(shù)字正射影像如圖3所示。

6)成果導(dǎo)出。DEM的導(dǎo)出可選擇其地理投影、像素大小，在DEM范圍較大時(shí)導(dǎo)出過程可能占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存，可通過分塊導(dǎo)出解決。可以通過繪制圖形指定為DEM的導(dǎo)出范圍。數(shù)字正射影像的導(dǎo)出設(shè)置與上述類似，可導(dǎo)出為JEPG，TIFF，PNG，Google KMZ，Google Map Tiles，MBTileS，World Wind Tiles等多種格式。導(dǎo)出為Google KMZ后可將其添加到Google Earth中查看，如圖4所示，可以看出由無人機(jī)影像生成的數(shù)字正射影像可與Google Earth中的高清衛(wèi)星影像幾乎無縫重疊。

3　結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，以消費(fèi)級(jí)大疆無人機(jī)為平臺(tái)獲取的影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，根據(jù)PhotoScan軟件的技術(shù)特點(diǎn)和對(duì)影像數(shù)據(jù)的實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，介紹了快速無人機(jī)影像的快速處理方法，最后快速、高效、成功得到所需的各項(xiàng)技術(shù)成果。結(jié)果表明，利用PhotoScan的三維場(chǎng)景自動(dòng)建模技術(shù)進(jìn)行無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的拼接、DEM、數(shù)字正射影像、三維模型的生成具有速度快、作業(yè)過程簡(jiǎn)潔自動(dòng)化等特點(diǎn)。在無人機(jī)應(yīng)急救援影像獲取、區(qū)域制圖上，該處理方法流程有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]吳正鵬.無人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)應(yīng)用初探[J].城市勘測(cè),2011(1):76-80.

[2]朱鋒,肖暉,魏亞男，等.無人機(jī)遙感影像鑲嵌技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2014(15):38-41.

The method of UAV aerial photogrammetry images data fast processing

Zhao Jie1,3Zhang Congcong2,3

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China；2.Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province， Linfen 041000, China；3.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan 030025, China)

According to the practice and experience of the management of aerial photography and survey data processing, the paper introduces the method of UAV aerial photography fast processing by Agisoft PhotoScan. It includes images mosaicking, generating dense point cloud, building DEM & DOM, results exporting and other major steps, pointed out that the method had high efficiency, convenience, high auto mation degree and other advantages, had wide application prospect.

UAV aerial photography, image processing, PhotoScan, DEM

1009-6825(2016)25-0191-02

2016-06-24

趙杰(1989- )，男，助理工程師;張聰聰(1989- )，男，助理工程師

P232

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