基于LPS的無人機水土保持監測數據處理與優化

楊　愷

（陜西省水土保持生態環境監測中心陜西西安710004）

基于LPS的無人機水土保持監測數據處理與優化

楊愷

（陜西省水土保持生態環境監測中心陜西西安710004）

常規的LPS處理流程對外方位元素精度要求較高，且自動生成同名點匹配精度不高及人工篩選工作量大，D TM及正射影像結果精度難以掌控。本文提出的航測數據處理優化方案可有效修訂PO S數據系統誤差，提高匹配精度；在第一次優化基礎上可減少人工篩選同名點工作量，提高整體空三解算控制點精度；對因裁剪線問題引起的圖斑缺失、錯位、扭曲等現象也進行了改進，提高了正射影像自動拼接效果和精度。

無人機；低空航測；水土保持監測；數據處理；LPS

1　無人機水土保持監測應用現狀

無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）或稱無人飛機系統（Unmanned AircraftSystem，UAS）是指由遙控或者自動駕駛技術，進行科學觀測及偵查等任務的飛行載具。目前，民用無人機航測的用途被逐漸開發出來，包括農作物的航測，林業普查、水土保持監測、小范圍高精度測量、搜索和救援行動、檢查線路和管道、野生動物的觀察等［1-3］。與傳統航測相比較，具有操作成本低、運用彈性大及支援裝備少等特性。

無人機遙感作為遙感科技的重要組成部分，在水土保持監測中的作用和優勢逐漸顯露，其快速獲取流域地形地貌、植被狀況、治理措施質量數量、水土保持效益監測、淤地壩面積及其淤積數量等方面監測的優勢尤為突出，國內各流域機構監測中心、省級監測總站以及市級監測分站均在監測工作中逐步配備無人機監測設備，用于水土保持監測。但無人機航測數據處理中數據量大，工作周期長，精度難于掌控等因素，限制了無人機航測在水土保持監測中的應用。本研究利用臨渭區萇溝流域無人機數據，在基于LPS處理方法，優化處理方法，提高數據處理精度，縮短處理周期上探索和改進處理方法，以期能使無人機航測在水土保持監測領域得到進一步發展。

2　LPS航測數據處理概述

LPS（Leica Photogrammetry Suite）是徠卡公司推出的數字攝影測量及遙感處理軟件系列。LPS為影像處理及攝影測量提供了高精度及高效能的生產工具。它可以處理各種航天（最常用的衛星影像包括QuickBuid、IKONOS、SPOT5、LANDSAT等等）及航空（掃描航片、ADS40數字影像）的各類傳感器影像定向及空三加密，處理各種數字影像格式，黑白、彩色及多光譜、高光譜等各類數字影像。LPS的應用還包括矢量數據采集、數字地模生成、正射影像鑲嵌及遙感處理，它是第一套集遙感與攝影測量在單一工作平臺的軟件系列［4］。LPS無人機航測數據處理的常規流程如圖1所示。

圖1　LPS航測數據處理標準流程

LPS在數據處理過程中具備自動化程度高、工作效率突出的特點，但是受數據精度、算法結構等諸多因素影響，實際操作過程中仍存在以下問題：一是無人機作業采集的外方位元素（以下簡稱pos數據）存在較大誤差時，不能自動匹配同名點［5］；二是人工篩選同名點工作量大，誤刪和漏刪同名點時常發生，不能保證影像同名點數量和精度；三是受自動生成同名點分布影響，正射影像拼接時裁剪線不規整，拼接影像有缺失、錯位、扭曲等現象。上述存在的問題作為制約成果質量的因素亟待解決。

3　優化方案與案例分析

萇溝小流域位于渭南市臨渭區厚鎮，流域面積20km2，屬秦嶺北麓低山丘陵區，是陜西省水土保持及水土保持監測示范基地。獲取該區域低空航測影像及地形信息可對各類設計和施工提供高精度的數據支撐。

筆者處理萇溝小流域航攝影像（240幅）時發現，在一個LPS標準處理流程中加入POS數據修訂、二級優化及裁剪線優化等操作后，可有效提高成圖質量，保障成果后期應用。如圖2所示。

圖2　LPS航攝影像處理優化方案

3.1POS數據修訂

無人機高速作業過程中受氣流影響，單次曝光時飛行姿態不穩，導致捕獲的POS數據可能存在一定系統誤差（集中體現在跨行帶間俯仰及翻滾角上），影像拓撲范圍與實際成像范圍會產生偏移，極大降低同名點生成的準確率。

實際處理過程中，可利用第三方空間軟件，計算出拓撲偏移量，從而完成俯仰及橫滾角率定：選取航向正交方向單行影像，以相鄰兩幅影像為一調整單元進行人工對準（以奇數航帶影像為基準調整偶數航帶影像），通過如下公式即可完成率定。示意見圖3。

圖3　校準示意圖

式中：ω（φ）——俯仰（橫滾）偏移角；α——視角與大地平面夾角；h——飛行航高；

X（Y）——影像覆蓋幅寬；Δx（y）——X（Y）軸偏移量。

3.2二級優化

LPS依托同名點進行空三結算后，通過判讀同名點均方根誤差（RMSE），可剔除誤差較大的同名點以提高整體精度。由于軟件自動生成的同名點數量巨大，且誤差規律不明顯（部分同名點的RMSE數值與其精度無必然聯系），導致人工判讀難度增大，判讀效率低下，數據加工周期長，精度難以保證。

實際處理過程中，在軟件自動生成同名點后，通過合理設置迭代次數以及期望誤差值進行空三結算，剔除明顯錯誤的同名點，即可接受此次空三結算結果。依托軟件接受優化后的POS數據，舍棄第一次生成的同名點，重新完成自動同名點匹配（稱二級優化），二級優化匹配的同名點RMSE數值會處于較低范圍且誤差呈明顯規律性分布（錯誤同名點的RMSE數值會遠遠高于平均值），極大降低了人工判讀難度，同時提高了數據處理工作效率和精度。本研究所應用的240副影像處理，在采用一級處理方案，并經過35小時的數據篩選后，生成的DTM仍有部分區域出現異常噪聲點，而采用二級優化后，僅經過9小時的同名點篩選后，生成的DTM結果明顯光滑，且地形分布合理。一級處理與二級優化后空三解算DTM對比如圖4所示。

3.3裁剪線優化

影像鑲嵌拼接之前，系統會根據影像分布狀況自動生成裁剪線（seamline）。由于同行帶、跨行帶之間的影像重疊范圍不盡相同，且因個別區域同名點分布不均等因素，生成的裁剪線可能出現異常（分布不均、裁剪線凌亂及部分影像未裁剪等現象），導致拼接的整幅影像會缺失個別斑塊，或部分區域影像拼接出現錯位、扭曲等現象，影響航測正射影像成果完整性。

本研究實際處理過程中，在完成裁剪線生成工作后，可根據目視判讀，人工剔除裁剪線異常影像，且保證拓撲關系下影像覆蓋作業范圍，重復操作直至裁剪線排列規整，即可自動拼接色彩均衡、影像完整且精度較高的正射影像結果，裁剪線優化前后對比如圖5所示。

圖4　一級處理與二級優化DTM結果對比

圖5　裁剪線優化前后對比

4　結語

在萇溝小流域航測影像處理過程中，較常規數據處理，本研究采用的數據處理方案，可通過人工計算分析，修訂pos數據，解決因無人機pos數據誤差較大，無法完成同名點空三解算的問題，同時提高了同名點配對精度；通過二級優化不僅能提高同名點配對精度，而且可使各同名點誤差呈規律性分布，便于人工刪選，縮短數據處理周期，提高數據處理人員工作效率，也能極大的提高DTM解算精度，為下一步生成高精度正射影像奠定基礎；優化裁剪線避免正射影像錯位、扭曲、不完整等現象，保證了正射影像質量。該航測影像數據處理優化方案可為水土保持區域監測提供高實效、高精度的本底數據。陜西水利

［1］范承嘯，韓俊，熊志軍，趙毅.無人機遙感技術現狀與應用［J］.測繪科學，2009，05:214-215.

［2］謝濤，劉銳，胡秋紅，姚新.基于無人機遙感技術的環境監測研究進展［J］.環境科技，2013，04: 55-60+64.

［3］李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景［J］.武漢大學學報（信息科學版），2014，05:505-513+540.

［4］魯云飛，趙紅穎，劉大平，晏磊.？基于幾何矩預分類的無人機遙感圖像自動配準方法［J］.影像科學與光化學，2011，06:438-448.

［5］李玉霞，童玲，劉異，何磊.缺少控制點的無人機遙感影像幾何畸變校正算法［J］.電子科技大學學報，2013，03:75-80.

（責任編輯：暢妮）

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