無人機航空攝影測量影像數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)

梁彬榮

福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361000

0 引言

無人機航空攝影測量數(shù)據(jù)主要依靠無人機作為攝影平臺，然后通過構(gòu)建CCD相機來獲取相應(yīng)的航測數(shù)據(jù)。隨著我國航空攝影技術(shù)的不斷成熟和進步，以及我國遙感技術(shù)的發(fā)展，無人機航測技術(shù)憑借著其自身的易用性強、成本低、效率高、作業(yè)影像分辨率較高、能夠獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)、可以對一些較小的區(qū)域進行測繪等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于盲區(qū)的航空攝影中。考慮到無人機設(shè)備自身的飛行姿態(tài)穩(wěn)定性不足，且非常容易受到周圍環(huán)境以及天氣等因素的影響，導(dǎo)致其獲取到的影像數(shù)據(jù)畸變率較高且旋角較大。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的航空攝影測量軟件對無人機設(shè)備的航測數(shù)據(jù)進行后期處理，不僅需要耗費大量時間，而且數(shù)據(jù)處理流程也比較復(fù)雜。隨著無相航空攝影測量理論的成熟化發(fā)展以及無人機設(shè)備價格的降低，應(yīng)用先進的系統(tǒng)來對無人機航測影像數(shù)據(jù)進行處理已經(jīng)成為必然趨勢[1]。文章主要應(yīng)用無人機進行航測獲取影像數(shù)據(jù)，同時針對Agisoft Photo Scan軟件進行分析，并對該軟件所生成的數(shù)字正射影像以及數(shù)字高程模型的無人機影像快速處理方法進行了研究。

1 無人機航攝系統(tǒng)概述

無人機航攝系統(tǒng)主要由飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、人物設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面保障設(shè)備構(gòu)成。其中，飛行控制系統(tǒng)主要由飛行導(dǎo)航和控制系統(tǒng)構(gòu)成，內(nèi)部安裝有飛行控制板、GPS信號接收機、轉(zhuǎn)速傳感器、氣壓傳感器、空速傳感器等。無人機的發(fā)射回收系統(tǒng)則是由無人機發(fā)射系統(tǒng)和回收系統(tǒng)共同組成。數(shù)碼相機系統(tǒng)注釋由數(shù)碼相機設(shè)備的軟件和硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成。無人機的地面監(jiān)控系統(tǒng)由地面供電系統(tǒng)、監(jiān)控計算機以及監(jiān)控軟件構(gòu)成。

2 Agisoft Photo Scan軟件概述

Agisoft Photo Scan軟件最早是由俄羅斯的Agisoft所研發(fā)的一款專門應(yīng)用于攝影測量的圖像信息和影像信息處理軟件，該軟件應(yīng)用計算機視覺技術(shù)對影像數(shù)據(jù)進行三維重建，然后通過靜態(tài)影像圖片自動生成相應(yīng)的密集點云和紋理化多邊形模型，從而對地理信息進行分析。在應(yīng)用該軟件的過程中，需要先導(dǎo)入重疊率在一定比例的照片。無論是精細的工業(yè)磨具還是航空攝影測量的影像數(shù)據(jù)，都可以借助自動化工作流程來進行處理，一方面可以降低圖像處理失誤的概率，另一方面可以獲取到精度較高的影像。此外，該軟件也用于GPU加速計算以及網(wǎng)絡(luò)分布式處理。在針對大量的影像數(shù)據(jù)信息進行處理的過程中，可以大幅提升拼接以及三維重建效率。此外，該軟件還支持如單幅相機、魚眼相機、球面鏡頭等相機類別，并可以借助怕Python語言和腳本控制來實現(xiàn)自動化控制。

3 無人機航測影像的處理流程

3.1 前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在應(yīng)用無人機設(shè)備進行航測的過程中，需要結(jié)合航測目的和實際情況來確定相應(yīng)的POS數(shù)據(jù)格式，受航測用途的影響，需要應(yīng)用到的POS數(shù)據(jù)格式也會存在一定的差異。鑒于此，在無人機航測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段，需要根據(jù)格式的差異來對POS中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化和調(diào)整，將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Photo Scan的讀取方式，然后應(yīng)用在Agisoft Photo Scan軟件中[2]。在應(yīng)用無人機進行作業(yè)的過程中，需要應(yīng)用所獲取的數(shù)據(jù)來組件POS系統(tǒng)，然后自動生成相應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)信息。Photo Scan在具體的應(yīng)用過程中，可以針對獲取圖像的EXIF信息對信息數(shù)據(jù)進行讀取，無須重復(fù)導(dǎo)入影像中的POS數(shù)據(jù)。此外，在信息導(dǎo)入后，還需對影像數(shù)據(jù)進行整理，從而生成相應(yīng)的密集點云，針對無人機航攝過程中獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，需要嚴(yán)格按照特定的處理步驟進行處理。通過對航測區(qū)域內(nèi)獲取到的攝影數(shù)據(jù)進行整理，可以為后期生成質(zhì)量較高的影像創(chuàng)造有利的條件。在進行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的過程中，還需要生成相應(yīng)的DEM和DOM，DEM主要指在密集點云或者網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上生成的數(shù)字高程模型。一般情況下，會應(yīng)用密集點云來作為DEM的數(shù)據(jù)來源，然后結(jié)合實際情況對生成圖像的分辨率進行調(diào)整，最后形成DEM圖像。通過增加相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)產(chǎn)生DOM正射影像數(shù)據(jù)。

3.2 具體處理流程

由于不同無人機的參數(shù)和應(yīng)用類型不同，結(jié)合前文可知，無人機所獲取的POS數(shù)據(jù)存在一定的差異。因此，需要將不同格式的POS數(shù)據(jù)進行編輯后才能導(dǎo)入軟件中，但是一般情況下，在應(yīng)用無人機進行航測的過程中，很多無人機設(shè)備自己擁有相應(yīng)的GPS以及IMU構(gòu)成的POS系統(tǒng)，容易獲取到飛行過程中的坐標(biāo)、無人機飛行姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)。

在針對無人機設(shè)備航測圖像導(dǎo)入以及影像分析的過程中，需要先打開Photo Scan軟件添加相應(yīng)的無人機影像，然后結(jié)合航攝區(qū)域面積大小做分區(qū)處理。一般情況下，一個分區(qū)內(nèi)需要的圖像信息數(shù)據(jù)不需要過多，否則會對后期的處理產(chǎn)生影響。通過嚴(yán)格控制不同分區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)數(shù)量，才能最大限度地發(fā)揮計算機設(shè)備自身的性能。所研究的無人機設(shè)備的影像數(shù)據(jù)內(nèi)已經(jīng)具有相應(yīng)的位置信息，無須導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)。在導(dǎo)入圖像后，需要對圖像的坐標(biāo)參考性、相機精確度以及標(biāo)記、標(biāo)尺等進度進行設(shè)置，還需要對圖像進行對齊調(diào)整。航測圖像的對齊進度從高到低可以分為5個不同的級別，精度越高則對齊的速度越慢。此外，應(yīng)用該軟件還可以通過多視圖三維重建技術(shù)對照片的位置和姿態(tài)進行重現(xiàn)，從而在自動過程中進行內(nèi)定向、相對定向和絕對定向[3]。

在針對生成的密集點云進行分析的過程中，應(yīng)用Photo Scan可以通過對相機位置的估算來計算深度信息，合并后生成單一的密集點云，然后可以選擇生成的密集點云的質(zhì)量，密集點云的質(zhì)量從高到低可以分為5個不同的級別，處理速度和密集點云的質(zhì)量高低成正比，可以根據(jù)實際的需求選擇合適的點云質(zhì)量。在針對海洋進行航攝的過程中，如果需要提高圖像的處理速度，則可以選擇質(zhì)量一般的點云。此外，還可以通過剪切或者刪除部分點云數(shù)據(jù)的方式來提高處理速度。在生成密集點云后，如果還需要獲取相應(yīng)的多邊形三維模型，則需要構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)格來進行建模。如果需要獲取的數(shù)據(jù)僅僅是根據(jù)正射影像和DEM，則不需要進行相關(guān)操作。此外，如果圖像的重疊度不足，可能導(dǎo)致生成的網(wǎng)格模型存在孔洞，此時可以利用Photo Scan軟件及時關(guān)閉孔洞。此外，如果想獲取多邊形模型，還需要生成相應(yīng)的紋理。

基于密集點云或者網(wǎng)格模型可以生成數(shù)字高程模型，這是生成的網(wǎng)格模型步驟但不是必需的步驟，為了進一步提升數(shù)字高程模型的精確度，一般情況下，會選擇應(yīng)用密集點云來生成相應(yīng)的DEM源數(shù)據(jù)，然后用來設(shè)置生成DEM的分辨率。在針對生產(chǎn)的數(shù)字正射影像進行分析的過程中，一般情況下，會將DEM作為數(shù)字正射影像的表面，數(shù)字正射影像像素尺寸需要根據(jù)無人機設(shè)備原始影像的平均分辨率來確定，需要根據(jù)選擇表面的區(qū)域大小和輸入的像素尺寸計算出生成的正射影像的大小。

對最終成果導(dǎo)出情況進行分析可知，進行DEM導(dǎo)出的過程中，可以對地理投影和像素大小進行選擇，如果DEM的范圍較大，在導(dǎo)出的過程中，其占據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)存空間也較大。為此，可以通過分塊的方式進行導(dǎo)出，還可以通過繪制地形圖的方式來確定DEM的導(dǎo)出范圍。數(shù)字正射影像的導(dǎo)出設(shè)置和上述步驟類似。最終導(dǎo)出圖像支持的格式包括 JEPG、TIFF、PNG、Google KMZ、Google Map Tiles、World Wind Tiles等。所導(dǎo)出的Google KMZ可以添加至Google Earth中查看。由此可知，經(jīng)過無人機影像所生成的數(shù)字正射影像可以和谷歌地球中的高清衛(wèi)星圖片無縫重疊。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，應(yīng)用Photo Scan軟件的三維場景自動建模技術(shù)對無人機圖像數(shù)據(jù)進行拼接以及DEM、數(shù)字正射影像以及三維模型生成，可以大幅提高信息數(shù)據(jù)處理和作業(yè)效率，同時可以減少不必要的作業(yè)步驟，實現(xiàn)作業(yè)流程簡潔化。由此可見，在海洋勘測中以及區(qū)域制圖中應(yīng)用該技術(shù)具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

通過分析無人機航測技術(shù)在測量中的應(yīng)用，對提高數(shù)據(jù)信息的采集效率、優(yōu)化我國的測繪作業(yè)效果均具有非常現(xiàn)實的意義和作用。應(yīng)用無人機設(shè)備進行低空航測的過程中，可以對一些地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的區(qū)域進行測繪，由此大幅增加我國的無人機航測資料，對提升我國的災(zāi)害應(yīng)急保障能力具有深遠的影響和意義。此外，通過對無人機系統(tǒng)的設(shè)定可以實現(xiàn)動態(tài)檢測，對我國測繪工作的開展有著非常重要的影響。同時，提升無人機航測成果，完成三維設(shè)計建模工作，已經(jīng)成為當(dāng)前無人機測繪的發(fā)展熱點。