低空無人機圖像處理技術研究

陳立春

摘要：無人機系統作為地球觀測的基礎設施之一，以其機動性、高速性、靈活性、經濟性等顯著的技術優勢，已廣泛應用于國家經濟建設的各個領域，如農業監測、資源開發、災害應急處理等。該文以實際工程為例，闡述了在eBee無人機的基礎上，利用專業的無人機數據處理軟件UASMaster制作數字正射影像地圖的方法和技巧。最后，通過兩種方法詳細分析了DOM的精度，將DOM與區域的現有DLG重疊，并將現有1：1000比例DLG的點與立體模型的相應檢查點進行對比。

關鍵詞：無人機 UASMaster 數字正射影像地圖 精度分析

Research on Image Processing Technology of Low Altitude UAVs

CHEN Lichun

（Xiamen Jointsurvey Information Technology Co.， Ltd.，Mingxi， Fujian Province， 361008 China）

Abstract： As one of the earth observation infrastructure， UAV system has been widely used in various fields of national economic construction， such as agricultural monitoring， resource development， disaster emergency response and so on， due to its remarkable technical advantages of mobility， high speed， flexibility and economy. ?Taking an actual engineering as a case study in this paper， it expounds the method and skill of making digital orthophoto map by using professional UAV data processing software UASMaster on the basis of eBee UAV. Finally， the accuracy of DOM is analyzed in detail through two methods， the DOM is overlapped with the existing DLG of the region， and the points of the existing 1：1000 DLG are compared with the corresponding checkpoints of the stereo model.

Key Words： UAV; UASMaster; Digital orthophoto map; Precision analysis

UAV是無人機的簡稱，利用無線遙控裝置和程控裝置進行自主飛行。無人機系統在設計和優化組合方面有許多突出的特點，它集成了空中拍攝、遙控、遙感技術、視頻圖像微波傳輸、計算機圖像信息處理等新的應用技術[1]。無人機具有結構簡單、操作方便、成本低、周期短、能夠快速獲取圖像數據等優點。由無人機圖像生成的數字正射影像圖，既具有幾何精度，又具有圖像特征，還可以進行各種專業信息的提取、統計和分析，為整個經濟建設和社會發展提供服務[2]。隨著無人機技術的不斷發展，其在對地觀測系統中的地位越來越重要。無人機（UAV）對地觀測系統包括準備、飛行、數據采集和處理、最終產品等。為了獲得可靠的信息數據，需要對其中的所有過程進行質量控制，特別是對圖像數據的處理。無人機（UAV）在飛行過程中會受到氣流和風向的影響，姿態角和航向會產生偏差，圖像的旋轉角度和重疊度不夠穩定，尤其是非測量數碼相機[3]。而且航拍照片存在尺寸小、數量多、基線短、重疊不規則、傾角大等問題，這些都在一定程度上影響了圖像的處理精度，因此傳統的攝影測量方法很難完全應用于無人機圖像處理。該文結合福建某試驗區UASMaster軟件的使用，介紹和探討了無人機數據處理的方法和技巧。

1 UASMASTER系統

Trimble開發的UASMaster，專注于無人機數據處理系統，它集成了Inpho的所有功能模塊[4]，如空中三角測量、DTM/DSM提取和編輯、圖像正射校正、圖像拼接和勻色等，如圖1所示。對于沙漠、森林、山地、耕地，UASMaster無需人工添加和編輯即可提取連接點，極大地提高了數據處理能力，為數字攝影測量的全過程提供了很好的解決方案。UASMaster系統將DEM、DOM的快速采集與基礎測繪生產融為一體，簡化了操作方式，加快了生產速度，提高了生產效率，能夠充分滿足辦公室無人機數據處理和各種應急測繪的需要。

利用UASMaster的移動工作站和拇指大小的軟件狗，無人機應急測繪采集的快速DEM/DSM和DOM結果可以在野外或應急救災現場完成[5]。DOM的輸出被放入項目文件夾并自動命名為“mosaic.tif”，主要流程如圖1所示。

2應用項目

3.1 數據獲取

從圖1可以看出，生成數字正射影像地圖（DOM）需要以下數據。

攝像機校準報告。從報告中可以了解通用數碼相機的內部方位元素、固有光學畸變參數等，這些將有助于在創建項目時輕松定義相機。如果軟件中有預定義功能，也可以選擇相機。

圖像和GNSS/IMU數據。GNSS/IMU數據可從無人機飛行控制系統讀取，并可根據ID、X、Y、Z、ω、φ、Kappa進行編輯，并且GNSS/IMU數據的ID應與圖像ID關聯并保持一致。

地面控制點。地面控制點應根據測繪精度要求和測區實際情況布設，并在飛行前利用GPS測量三維坐標，用于三角測量。在項目中導入所有數據后，可根據“條帶生成向導”生成照片行程，然后初始化圖像以完成項目的建立，無任何剩余錯誤，或可在“項目驗證程序”中獲取已宣布警告和錯誤的詳細信息。

3.2 空中三角測量

UASMaster可以自動提取和匹配相鄰航拍照片和相鄰條帶的重疊部分，將孤立的航拍照片連接成穩定的網絡結構。然后利用GCP和聯絡點數據，通過共線方程和自動平差求出航拍照片的姿態參數和曝光位置。最終獲得每張航拍照片的外部方位元素。這些為圖像校正提供了最基本的參數[6]。在UASMaster中，控制點測量可以在連接點提取之前或之后進行，但在需要穩定連接點匹配時，必須事先進行測量。

3.3 DTM/DSM提取

UASMaster為DTM提取提供了兩種基本的匹配算法：基于特征的匹配（FBM）和最小二乘匹配（LSM）。FBM是一種非常穩健的匹配策略，它只需要粗略近似，而且速度非常快。相比之下，LSM非常精確，但它需要更好地近似，并且比FBM慢。DSM提取使用基于成本的匹配（CBM）算法策略。在生成過程中，可以為整個項目或定義的點云區域自動生成。在這些條件下，UASMaster可以自動、準確地提取測區的DTM和DSM，為數字差動校正提供正確的數據。由于曲面特征的復雜性，自動點云生成會導致生成結果與實際情況之間的偏差，從而導致錯誤的正射鑲嵌生成。UASMaster Edit提供顯示選項，允許輕松檢測可在縱斷面圖或立體視圖中搜索的錯誤。UASMaster Edit還提供選擇工具和修改工具。當手動編輯DTM時，應該特別注意居住區、立交橋、水、灌木社區等。

3.4 正射和鑲嵌生成

UASMaster提供兩種產品：正射影像和真正射影像。基于上述三角測量和DTM編輯結果，UASMaster提供了一個一鍵工具，可自動完成圖像正射校正、圖像拼接、地理校準和顏色均勻。從而獲得調查區域的DOM（如圖2所示）。同時，利用DTM和特征點、特征線的三維信息也可以得到時差。在TDOM生成中，圖像拼接和顏色均勻可以自動生成遠離建筑物的接縫線。需要注意的最重要的事情是像素大小，它應該表示地面采樣距離。像素大小可以通過以下計算公式輕松計算：

GSD_ground=□（H_0/C ρ_（x，y） ）

其中，H_0表示地面以上的飛行高度，c表示相機的焦距。

該文正射影像的重采樣為0.08m。

4精度評估

該文使用的無人機為瑞士Sensefly公司生產的eBee RTK，數碼相機為佳能IXUS127HS，CCD尺寸為1.3μm。圖像分辨率為0.08m，正面重疊為80%，側面重疊為60%，條帶變形為1%，最高飛行高度與最低飛行高度之差為12.4m，完全符合相關標準。目視檢查DOM，可以觀察到馬賽克圖像清晰，整體色調基本一致，并且沒有地面失真、線性特征失真。DOM精度評估通常采用兩種方法。

（1）將DOM與1：1000比例的現有DLG疊置。目視檢查水平精度，DOM可與DLG井重疊，說明水平精度符合圖3所示要求。

（2）協調對比。在本實驗中，收集了現有1：1000比例DLG的20個特征點，與立體模型中的對應點進行比較，如表1所示。從表中可以看出，X和Y坐標值之間的差值在0.4m以內，結果滿足點均方誤差兩倍的要求。從上述兩種方法的對比結果來看，水平精度完全達到了1：1000（±0.5m）的要求。實踐證明，UASMaster軟件生成DOM可靠有效，操作簡單，生產完全可以滿足無人機辦公室數據處理和各種應急測繪的需要。

5結語

該文介紹的UASMaster系統以無人機數據處理系統為核心，自動化程度高，結果令人滿意，特別是在圖像匹配、DTM/DSM提取、圖像拼接和顏色均勻等方面，但對初始數據的精度要求較高。介紹了UASMaster系統在無人機數據處理中的應用，并對DOM的精度進行了分析。可以相信未來隨著無人機技術、傳感器技術、無線通信網絡、計算機技術的飛速發展和數據處理技術的不斷提高，無人機低空攝影測量技術將在改善測繪成果現狀、增強測繪應急服務供給能力方面發揮巨大作用，并將越來越廣泛地應用于民用領域。

參考文獻

[1]黃彥曉.基于無人機遙感圖像和目標檢測的樹冠提取研究[D].杭州：浙江農林大學，2020.

[2]梁中巖，戚紅雨，王偉良，等.無人機載荷圖像地理信息拼接及驗證算法[J].計算機工程與科學，2020，42（12）：2208-2216.

[3]李力，英聰，李俊，等.無人機圖像去霧處理速度優化研究[J].遙感信息，2020，35（06）：49-55.

[4]沈鈺.基于特征的無人機河湖圖像智能處理系統[D].南京：南京師范大學，2019.

[5]沈鈺.基于特征的無人機河湖圖像智能處理系統[D].南京：南京師范大學，2019.

[6]溫爾雅.無人機圖像處理關鍵技術的研究與實現[D].成都：電子科技大學，2017.

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