基于無人機(jī)影像畸變校正方法的應(yīng)用研究

趙 劍，趙 晶，吳紅玲，張 棟，潘 娟

(北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120)

0 引言

電力通道走廊的優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)初設(shè)路徑獲取對應(yīng)區(qū)域的高精度航攝影像，輔助現(xiàn)場前期工作開展，對數(shù)據(jù)的時(shí)效性要求高[1]。因?yàn)榫€路長度長，通常情況下是使用載人機(jī)搭載大畫幅航測儀采集測區(qū)數(shù)據(jù)，但線路經(jīng)過區(qū)域不可避免經(jīng)過部分禁飛區(qū)，使用載人機(jī)作業(yè)時(shí)，受審批手續(xù)繁瑣、調(diào)機(jī)時(shí)間長等因素影響[2]，在任務(wù)緊急的情況下，無法保證完成時(shí)間，需要一種更加靈活的數(shù)據(jù)采集手段進(jìn)行補(bǔ)充。

無人機(jī)體積小、操作靈活，通常搭載的相機(jī)焦距短、圖像傳感器(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)面積小，因此航高相對較低，受天氣影響小，在飛行條件允許下能夠迅速采集航攝影像[3-4]。但是由于無人機(jī)搭載的相機(jī)一般使用消費(fèi)級非量測相機(jī)，相機(jī)鏡頭素質(zhì)不穩(wěn)定，物鏡的畸變差相對較大[5]，使得獲取的影像存在一定畸變，對像點(diǎn)坐標(biāo)產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響后續(xù)空三成果的精度[6-7]。因此在使用此類型相機(jī)進(jìn)行航空攝影測量作業(yè)的過程中，需要定期對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，給予準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)[8]，但隨著無人機(jī)航攝作業(yè)的大范圍應(yīng)用，相機(jī)在轉(zhuǎn)場運(yùn)輸途中難免會受到溫度和震動(dòng)的影響，導(dǎo)致需要重復(fù)檢測，在不具備重復(fù)檢測的條件下，需要尋找一種較為可靠的方法提供準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)和無畸變影像，提高空三成果精度[9]。本文主要針對不同地形、地貌類型的相同原始影像，使用不同軟件進(jìn)行畸變校正，對比分析不同軟件校正后的數(shù)據(jù)空三計(jì)算后的精度情況，得到能夠滿足工程數(shù)據(jù)精度的影像畸變校正方案。

1 技術(shù)路線

Inpho軟件進(jìn)行處理時(shí)，對相機(jī)參數(shù)、影像質(zhì)量和外方位元素的精度有一定要求，否則會出現(xiàn)自動(dòng)匹配點(diǎn)失敗或空三結(jié)果精度不高、相鄰像對存在連接差的問題[10]。因此需要從影像數(shù)據(jù)校正開始，使用不同軟件對不同區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，空三處理后添加外業(yè)控制點(diǎn)平差對比成果精度，主要流程如圖1所示。

圖1 不同軟件畸變校正空三成果精度對比技術(shù)流程圖

1.1 影像畸變校正

本文主要對比分析PixelGrid、Pix4D兩款軟件對于影像畸變校正的效果。兩款軟件的使用方式不同：PixelGrid進(jìn)行影像畸變校正必須有準(zhǔn)確的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，從而輸出無畸變影像；Pix4D可以沒有準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)，通過軟件自檢校，輸出相機(jī)參數(shù)和畸變校正影像。

分別使用兩款影像畸變校正軟件對采集的原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變校正，降低影像畸變差，生成無畸變影像。

1.2 影像內(nèi)定向

根據(jù)相機(jī)參數(shù)、無畸變影像和外方位元素信息，恢復(fù)數(shù)據(jù)采集航帶和相機(jī)姿態(tài)，自動(dòng)匹配連接點(diǎn)，建立地面立體模型，檢查自動(dòng)匹配點(diǎn)精度，刪除錯(cuò)點(diǎn)，剔除粗差，直到?jīng)]有粗差完成影像相對定向。

1.3 外控刺點(diǎn)平差

根據(jù)采集的外業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)和現(xiàn)場照片，在相對定向的成果上添加外業(yè)控制點(diǎn)，平差后糾正整體數(shù)據(jù)的絕對精度。

1.4 空三精度對比

根據(jù)DL/T 5138—2014《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測量規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求，主要從以下幾個(gè)參數(shù)判斷成果精度。

1)連接點(diǎn)上下視察最大殘差值在規(guī)范誤差范圍內(nèi)，一般在4/3像元以內(nèi)；

2)連接點(diǎn)上下時(shí)差中誤差值在規(guī)范范圍內(nèi)，一般控制在2/3像元以內(nèi)；

3)控制點(diǎn)精度在誤差范圍內(nèi)，平面精度在0.8 m內(nèi)，高程精度在0.5 m內(nèi)。控制點(diǎn)平面中誤差、高程中誤差按式(1)計(jì)算。

式中：m為控制點(diǎn)中誤差，m；Δi為控制點(diǎn)實(shí)測值與解算值之差；n為參與評定的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2 區(qū)域概況及研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

根據(jù)地形、地貌情況，選取兩處樣本數(shù)據(jù)，來自于特高壓工程實(shí)際采集的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，一處位于四川省境內(nèi)，地形以山地為主，研究區(qū)內(nèi)起伏較大，如圖2所示；一處位于湖南省境內(nèi)，以丘陵為主，測區(qū)內(nèi)有少量建筑物，如圖3所示。數(shù)據(jù)詳細(xì)情況如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)情況

圖2 研究區(qū)1山地PHASE影像

圖3 研究區(qū)2丘陵D850影像

2.2 研究方法

分別使用PixelGrid、Pix4D對同一區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行影像畸變糾正。PixelGrid使用距離數(shù)據(jù)采集時(shí)間較近和較遠(yuǎn)的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)(較遠(yuǎn)一次標(biāo)定的數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)采集時(shí)間18個(gè)月，符合GB/T 27920.1—2011 《數(shù)字航空攝影規(guī)范 第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》規(guī)范要求)，輸出兩套無畸變影像；Pix4D針對不同地形數(shù)據(jù)的影像進(jìn)行自檢校，輸出相機(jī)參數(shù)和畸變校正影像。

根據(jù)不同軟件和數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)以下三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)：①使用山地PHASE影像，使用距離外業(yè)航飛時(shí)間較近和較遠(yuǎn)一期的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，使用PixelGrid對原始影像進(jìn)行畸變糾正，對比不同相機(jī)標(biāo)定參數(shù)對空三成果質(zhì)量的影響；②使用丘陵D850影像，在沒有準(zhǔn)確標(biāo)定參數(shù)的情況下，使用Pix4D進(jìn)行自檢校，輸出的成果進(jìn)行空三處理，對比自檢校后的精度；③對于復(fù)雜地形情況下，在地形起伏較大的地方，測試Pix4D的自檢校影像空三精度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 PixelGrid影像畸變糾正結(jié)果統(tǒng)計(jì)

分別使用2017年4月和2018年12月的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年11月中旬，使用PixelGrid對原始影像進(jìn)行糾正，分別使用不同相機(jī)參數(shù)校正后的影像進(jìn)行空三計(jì)算、外控刺點(diǎn)后，中間檢查控制點(diǎn)精度和連接差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2～表5所示。

表2 2017.04相機(jī)參數(shù)校正影像連接差

表4 2017.04相機(jī)參數(shù)控制點(diǎn)精度

表5 2018.12相機(jī)參數(shù)控制點(diǎn)精度

從表5精度對比來看，2018年12月檢校值校正的影像進(jìn)行空三后的模型連接差和控制點(diǎn)精度絕大部分控制在0.5 m內(nèi)，符合工程需求，明顯優(yōu)于2017年4月相機(jī)標(biāo)定值檢校的影像數(shù)據(jù)空三成果。

3.2 Pix4D自檢校結(jié)果統(tǒng)計(jì)

當(dāng)外業(yè)航飛前后沒有條件對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的情況下，可以利用Pix4D對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢校，生成準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)和未畸變影像，開展內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。在平地工程中原始影像直接使用Inpho空三計(jì)算時(shí)自動(dòng)連接點(diǎn)匹配不通過。使用Pix4D進(jìn)行影像畸變糾正，空三，外控刺點(diǎn)后精度統(tǒng)計(jì)如表6、表7所示。

表6 模型連接差

表7 控制點(diǎn)精度

續(xù)表

從上表可以看出，通過Pix4D自檢校過的相機(jī)參數(shù)和影像，在空三計(jì)算后，模型連接差和控制點(diǎn)精度有明顯改善，只存在極個(gè)別點(diǎn)的精度超過0.5 m，有效地改善了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度。

3.3 特殊地形Pix4D自檢校精度統(tǒng)計(jì)

從上面一個(gè)實(shí)驗(yàn)的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，Pix4D在沒有準(zhǔn)確相機(jī)標(biāo)定參數(shù)的情況下，自檢校后的成果能夠在一定程度上改善工程成果數(shù)據(jù)精度的問題，但是實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，對于部分采集區(qū)域地形復(fù)雜的數(shù)據(jù)，Pix4D成果的精度并不是十分理想。以山地工程采集的數(shù)據(jù)為例，使用Pix4D自檢校后的參數(shù)數(shù)據(jù)處理成果統(tǒng)計(jì)如表8、表9所示。

表8 模型連接差

表9 控制點(diǎn)精度

從模型連接差和控制點(diǎn)精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，該區(qū)域數(shù)據(jù)使用Pix4D自檢校后處理的成果精度較差，還需要準(zhǔn)確的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)對獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變校正。

4 結(jié)論

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的成果精度很大程度上會受到原始影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，通過影響畸變校正軟件可以糾正因?yàn)橄鄼C(jī)物鏡或投影中心偏移引起的畸變差，提高成果精度。通過本文使用不同軟件對不同區(qū)域數(shù)據(jù)的處理可以看出：

1)相機(jī)標(biāo)定參數(shù)的準(zhǔn)確度對影像畸變糾正質(zhì)量和空三質(zhì)量的影響較大，在進(jìn)行影像畸變校正時(shí)，使用相機(jī)標(biāo)定參數(shù)校正的影像效果優(yōu)于自檢校的影像，使用相機(jī)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行畸變校正時(shí)需要使用盡可能靠近外業(yè)采集時(shí)間的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)。

2)當(dāng)作業(yè)條件不允許時(shí)，可以利用后處理軟件如Pix4D等對像片進(jìn)行自檢校，糾正影像畸變，在一定程度上能夠有效地提高成果精度，但是這種方法存在一定的局限性，在地形復(fù)雜、起伏較大的區(qū)域自檢校成果精度也無法滿足需求，仍需要準(zhǔn)確的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)。

本文通過對無人機(jī)非量測相機(jī)標(biāo)定后和未標(biāo)定的影像預(yù)處理后進(jìn)行精度分析，對后續(xù)開展無人機(jī)非量測相機(jī)的畸變差校正有一定的參考作用。在實(shí)際作業(yè)過程中，當(dāng)相機(jī)長期放置、運(yùn)輸?shù)瓤赡軐ο鄼C(jī)標(biāo)定參數(shù)造成影響的操作后應(yīng)該定期對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，以獲取較為準(zhǔn)確的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，校正影像，保證工程數(shù)據(jù)精度。在對于影像未進(jìn)行畸變校正的工程項(xiàng)目中，本文提供了一種快速、可靠的方法提高成果精度，縮短了工程周期，保證了工程質(zhì)量。