無人機遙感影像獲取及后續處理分析

董明廣

[摘 要]隨著我國經濟的不斷發展，經濟建設項目逐漸增加，衛星遙感技術和航空航天遙感技術不斷發展。目前，無人機遙感影像系統在多領域的應用具有重要作用。文章通過分析無人機遙感影像的獲取方法，指出了后續的相關問題，并提出了相應的對策，為無人機使用提供經驗和參考。

[關鍵詞]無人機遙感;影像獲取;后續處理

0? ? ?引 言

目前，無人機遙感技術是在航空遙感技術領域不斷發展的一門新型技術。無人機遙感具有許多優點，如自身任務的靈活性較高、經濟效益低、成本較低。不僅專業機構進行科學研究或管理時使用無人機進行偵測和監察，無人機的使用還深入日常生活的方方面面，如大到農業生產過程中農藥的噴灑，地理研究中自然災害發生情況的勘察、地質勘探研究、地圖修改的測量測繪，小到交通安全的日常監測、油田配電網巡檢、油田無人機熱成像管道巡檢、無人機的航拍、跟蹤測定等。無人機在日常生活和各行各業中均有應用，但目前仍處于起步階段，還未形成完善的應用體系。無人機應用于遙感測定系統具有靈活性高、能夠及時響應任務的優點，可以在具有較大風險的項目中起到航拍飛行的作用，且普通用戶也有能力承擔無人機的使用費用。但無人機應用于遙感系統也存在很多缺點，如無人機的抗震性能和實際荷載的體積均有嚴格的限制標準，不能執行要求較高的任務。采用無人機拍攝的影像和傳統的航天航空影像不同，在后續處理時也存在較大區別。基于此，本文主要探討了無人機遙感影像的獲取和后期數據分析處理，為無人機影像獲取提供建議。

1? ? ?無人機遙感系統的平臺構成及影像獲取

1.1? ?平臺構成

研究所目前使用的無人機主要由3個模塊組成：無人機的平臺、相機子系統和空中遙感控制系統。這種無人機可以在150～2 500 m的高度區間飛行，飛行跨度的區域比較大。無人機的遙感系統主要分為地面、空中和數據后處理三部分。地面部分需要規劃航空軌跡、加強地面控制以及接收、處理信息等;空中部分主要為遙感傳感的子系統，由子系統以及無人機平臺組成;數據后處理部分包括影像數據的預覽和影像數據的后處理。而一般小型無人機的遙感系統主要由七部分組成：第一部分包括無人機的主體、電力裝置執行設備在內的數據獲取平臺;第二部分包括飛機的控制和導航;第三部分為地面監測信號發射接收裝置的相關系統;第四部分是數據傳輸系統，是空中和地面連接的重要裝備，這樣能保證飛機在傳輸運轉過程中實時監測數據的影像;第五部分是發射回收系統，能夠輔助無人機的降落和飛翔;第六部分是任務執行系統，能夠控制攝像機和云平臺;第七部分是在地面上保障影像獲取工作的設備，主要包括電路板。

1.2? ?影像獲取

無人機進行試驗飛行，針對不同地貌進行測試和試驗。在試驗過程中，第一次試驗主要為了驗證無人機遙感系統的成像能力;第二次試驗需要按照前期規劃的路線全程拍攝，規劃路線包括子系統和數據獲取、傳輸以及影像存儲;第三次試驗是改正前兩次發現的問題。

2? ? ?無人機遙感影像的后續處理分析

2.1? ?無人機遙感影像質量評價

無人機的遙感系統拍攝出來的圖像會受飛機的姿態角、控制點的精度等因素的影響。在處理過程中，先對影像進行質量評價，在評價時要根據遙感的一般要求調整橫向的重疊率，使其不能低于53%，旁向重疊率最小不能低于15%。在飛行過程中，天氣因素也會直接影響航空圖像的質量，所以在獲取數據時，要根據航向的重疊率和旁向重疊率進行處理。航帶的彎曲度也會影響航向的重疊度和旁向重疊度，如果彎曲超過限度，可能出現航拍漏洞，所以航拍彎曲度不能超過3%。在拍攝時還要考慮飛行相片的旋角，這個旋角是相片上相鄰的主點連線和同一方向內框標連線之間的夾角，通常由攝像時相機定向不準確導致。在航行過程中，涉及的航帶飛行航線不能太短，否則不能為航行時姿態和位置的調整預留足夠的時間，橫向的航跡角容易出現較大偏差，導致傾斜角較大。而傾斜角的改變會影響航線和拍攝的圖像，使飛行拍攝的圖片較難拼接處理。但是，相關單位可以選擇穩定的平臺，將拍攝相片的旋轉角控制在5%以內，以滿足基本的圖像攝像要求，改進圖像的拼接處理工作。在這種條件的控制下，相關單位可以基本達到飛機姿態的遙感運行要求。

利用無人機采集影像并進行影像處理的工作主要從以下幾方面進行。第一，糾正數碼相機鏡頭非線性畸變。第二，糾正飛行過程中由于姿態的變化而引起的圖形旋轉和影像之間的誤差。在獲取圖像時，可以通過野外的控制位點調整相機的參數，保證獲取圖像后能夠進行單幅糾正，對拍攝的區域通過比例尺圖選取控制位點，并對拍攝的測量方法進行幾何糾正。第三，在原來的圖像基礎上采取正射影像糾正圖像。第四，依賴航行的系統定位相機。無人機攝像系統在采集遙感影像過程的缺點是無框標、定向不準確以及沒有地理參考。影像上增加通用墨卡爾投影的信息，可以使處理的影像變小，通過高分辨的影像，將底圖放入網格進行糾正。其通過全球定位系統（Global Positioning System，GPS），加入人為因素的拼接，可以進行地面定位，將照片合成大圖。無人機的遙感系統在處理影像時，可以根據測算的不同位置測試精度。對于單張相片的信息和數據糾正，應選取多組不同的地面控制點，拼接后通過橡皮條拉伸糾正標志性建筑，以便用于精準分析影像。如果地面區域較小，則誤差相對增大。

2.2? ?無人機遙感影像后續處理

2.2.1? ?勻色與裁邊

通過觀察影像的照片可以發現，航天和航帶之間的顏色和明暗度均存在較大的差異，其原因可能是天氣，也可能是航空拍攝過程中無人機遙感系統的射擊相機出現了問題。所以需要在原始的影像上進行勻色處理，在勻色時需要注意顏色的反差，灰度、紋理的變化，要保證勻色后圖像能夠過渡自然。同時，可以利用影像的裁剪軟件和系統裁剪邊緣地區無關的影像信息。

2.2.2? ?影像重疊度的計算與同名點自動量測

在進行影像重疊度測算時可以獲得大量的同名點，相鄰的影像之間匹配點大概有400多個。在重疊區部分需要滿足重疊度計算和區域平均差等方面的要求。在自動測量完成后，根據坐標值確定實際的重疊度。只有重疊度滿足橫向重疊68%～75%，旁向重疊滿足35%～40%，才能達到后續處理的要求。

2.2.3? ?拼接全景圖影像的處理

在全景影像圖和正射影像圖處理過程中，無人機需要根據地面控制點的數據進行快速匹配，形成同名點快速生成拼接圖。快速拼接圖要求并不嚴格，在相鄰的區域可能會出現截邊誤差，在拼接過程中個別景象可能會出現錯位，通過拼接圖可以分析區域內漏拍的現象。在“5·12”汶川大地震發生時，為了獲取受災情況的數據，采用這種方法能夠快速響應地震等自然災害。但是，在環境監測等對影像要求較高的正射影像的生成需要進行精度檢測。

空中三角測量生成數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）正射影像圖之后，通過測定方位元素，使影像的匹配能夠出現較多的離散三維微點，通過人機交互的形式獲得正射影像。在獲得正射影像之后還需要調整精度，隨機抽取地面的檢測控制點，將檢測結果列成正射影像精度檢查表，同時對檢測點進行編號，記錄坐標差和坐標的偏移量，以有效分析正射影像的精度。另外，還可以根據實驗結果再次分析影像處理后應用的可能性。

2.2.4? ?低空遙感影像的匹配

在無人機進行有效匹配過程中，主要由計算機進行操作，模擬人進行立體的觀察。尋找同名點是低空遙感影像處理過程中較為關鍵的一個程序。低空遙感圖像的匹配存在許多問題，例如，匹配過程中自動化的程度較低，在匹配時還需要進行人工干預。單純依靠計算機程序進行匹配，在沒有人工干預的情況下，還需要進一步優化。低空遙感影像在匹配過程中，由于計算層面存在較大的缺陷，匹配的精度有待提高，在進行信息匹配的過程中，可能會出現多元信息的匹配。由于遙感影像信息本身具有多元性，給低空遙感影像的匹配增加了一定的難度，除了難度增加以外，匹配的速度還需要提升。低空遙感影像數據隨著計算機的發展在不斷增加，匹配主要利用相關函數關系，尋找它們之間的相似結構，通過數學定義測算影像的坐標位置和映射的變換。在匹配時還要監測遙感影像匹配的測度，通過函數關系和相關系數以及協方差函數計算。從匹配策略角度考慮，可以匹配分配的層次，將低空遙感影像作為一個統一協調的整體，在若干信息處理過程中，對全局進行分析以后，通過結構信息對每一層的影像進行詳細的分析和融合，最終將視差圖進行一致性檢測。檢測時，應該從粗測到精細測量。利用金字塔匹配的策略將影像變成金字塔結構，從底層開始，相鄰像素之間重新采樣后形成新的像素，直到形成金字塔的最頂尖。匹配的策略還有全局最優匹配，從全局的角度考慮，從灰度和影像的特征進行匹配。除此之外，還有多約束性條件的匹配，包括相容性的約束、唯一性約束、核線的約束、相似性約束和多基元匹配策略。

3? ? ?結 語

無人機的遙感影像處理需要綜合考慮多種因素，相關研究人員需要進行地面、空中設備的調試和處理，并根據基礎成像原理和圖像處理技術分析和比較各種技術，通過恢復和改善影像獲取的設備，優化技術，使影像變得清晰，從而更準確、更科學、更逼真地還原影像背后的數據信息，為相關行業的發展提供技術支持。

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