無人機航攝成圖技術在山杏種質信息采集上的應用

張云程

(遼寧朝陽喀左縣林業種苗技術服務中心,遼寧 喀左 122300)

1 控制點布局與獲取

1.1 應用設備與準備

應用設備有數碼相機、三腳架、中點可折疊桿及GPS。采用“千尋位置”高精度定位，無需自建基站，通過千尋網絡高精度定位服務，接入測量地理信息采集終端設備，實現像控點布局與獲取。平面坐標系為WGS84，高程使用正常高。

1.2 控制點布設

控制點標志要明顯、清晰，航拍之前要把控制點用紅色或其他具有明顯顏色的油漆畫成“L”型或+型，選擇控制點還要避開遮擋相機的實物，比如較窄溝、高大山或樹木等陰影、陡坡、較圓的山頂部、高樓或房一角、圍墻角、水源、地形地貌容易改變的位置等。

1.3 控制點觀測采集

用GPS對控制點信息至少進行兩次觀測采集，兩次共采集60個歷元，一次30個，時間間隔1秒，當天觀測采集的數據，由電腦管理員負責導入計算機，并備份保管。在觀測采集時不要用通訊設備，雷雨天氣停止觀測采集。兩次觀測數據要進行對比，平面較差和大地高較差超過5cm，要再觀測一次，達到要求即可，如果達不到要求，過一定時間再進行觀測采集。

1.4 無人機航拍要求

用無人機對GPS觀測采集控制點航拍，航拍照片要多張，近照和遠照搭配進行。近照可1張或多張，一定要清晰可見GPS天線位置、中點可折疊桿的中點和觸地點、三腳架觸地點等；遠照可4張以上照片，將清晰可見控制點周邊的地形、地貌和所有的建筑物、水塘、水壩、林木、道路、溝壑等。觀測采集和航拍后，要詳細記錄控制點位置和周圍地形地貌及其他有關實物，對控制點和航拍片進行對應編號，在記錄紙上畫出粗略圖，并做好標記，防止搞錯。首先把測量單位寫上，其次把設備高度保留3位小數記下來，作為控制點高度輸入電子手簿保存。

1.5 形成控制點信息數據

一是在電腦上建立文件夾，有多少個控制點建多少文件夾，將控制點航攝照片導出放入各自的文件夾。二是導出GPS觀測數據并整理坐標數據成果表，制作控制點CSV文件。利用ArcGIS軟件添加XY數據功能，將控制點導入地理信息系統，對照糾正錯誤點后形成控制點信息數據。

2 無人機航攝

2.1 無人機航攝任務建立

應用的無人機分別為大疆精靈3A和大疆御2Pro。無人機航攝控制是通過DJI GS Pro軟件飛行任務實現，模式為測繪航拍區域模式。按1∶500航測法成圖要求，在兼顧航攝效率同時為提高成圖精度，確定地面分辨率為0.04m。為適應不同信息提取任務需要，建立3類飛行任務，即園區總體測繪、種質資源區測繪和區組測繪。園區總體測繪取云臺仰俯角度為-90°，航向重疊度取82%，旁向重疊度取65%。種質資源區測繪和區組測繪采用十字航攝測繪模式，云臺仰俯角度為-75°，航向重疊度取82%，旁向重疊度取65%。用單鏡頭實現多鏡頭傾斜攝影的效果，需要注意的是在航攝任務規劃時，要按目標邊界要素最小凸面進行設計，這樣才能保證精度，方法是利用ArcGIS軟件的最小邊界幾何工具實現。

2.2 無人機航攝數據處理

1)影像批量命名。利用photoshop Bridge 軟件處理，先批量選中影像，打開批量命名工具，命名規則為：字符+日期+時間+序號，點擊重命名按鈕。

2)影像地理信息提取。利用ArcGIS軟件的地理標記照片轉點工具進行影像地理信息提取，從中獲取每張照片空間位置、路徑、文件名等信息。按空間位置、時間要素等條件批量選擇照片，并實現拷貝、轉移和刪除照片工作。

3)影像批處理。在Excel 2007 軟件中打開相片文件列表，通過公式如，="COPY "& C1 & "F:ZYQ1"(C1為照片文件列)批量建立文件處理命令，樣式如COPY F:資料ZY201910Q2DJI_0034.JPG F:ZYQ1，將命令拷貝到記事本中后，保存為擴展名為.bat文件。

4)航攝影像概述。全區航攝共分解4個飛行任務，無人機共計起落12架次，作業時間約5小時，拍攝影像3180張。資源區航攝共分解2個飛行任務，無人機共計起落6架次，作業時間2小時，拍攝影像1720張。

3 航測成圖關鍵技術

應用計算機視覺數據處理軟件(Pix4Dmapper)。通過該軟件對無人機影像進行處理，得到影像點云、數字正射影像和數字高程模型。

3.1 基礎數據處理

基礎數據包括影像、POS和控制點數據。這些數據是在控制點信息觀測采集時取得的，對這些數據在航拍時要進行檢查和處理。

3.2 建立工程導入數據

打開Pix4Dmapper軟件，選項目的新建項目，在彈出對話框設置工程屬性，選航拍項目，不勾傾斜航拍及地面攝影，輸入工程名稱，創建路徑(名稱和路徑不包含中文字符)，選新建項目，選下一步，點添加圖像，選加入影像，影像路徑(不包含中文字符)可不在工程文件夾中，點Next。

3.3 設置影像屬性和加入控制點

一是POS數據地理坐標默認是WGS84地理坐標；二是從文件讀取POS文件；三是識別影像相機型號；四是修改高度值。如果發現高度值浮動很大時，用固定值批量替換高度值，處理后能大幅度提高精度，確定各項設置后，點Next下一步，點Finish完成工程建立。 單擊“項目→像控點編輯器”，在像控點編輯器中，選擇導入像控點，設置像控點坐標，導入像控點文件(CSV格式)。

例如：在進行準備活動的時候，老師可以使用稱為“呼叫動作”的游戲而不是體操，這樣比傳統的準備活動更加生動有趣。它可以更有效地調動學生參與的激情，從而改善大腦中樞和身體器官的活動水平，提高準備過程的有效性。而體育比賽小游戲在體育熱身部分的融入可以改善熱身單一化的現狀，使學生對體育知識和運動更感興趣。例如，在教學有關長跑的時候，學生想到1000米、800米等概念，他們就很容易害怕，而且他們的腿會發軟。此時，可以使用各種模式快慢跑的組合，快速和慢速跑步以及交替變換的形式，促使學生在生動有趣的游戲中無意識地學習新的運動技能。

3.4 圖像上刺出輪廓控制點及快速處理檢查

打開平面編輯器，選擇像控點，在圖像列表選中圖像，預覽時會顯示該圖像。在對應位置點左鍵，標定圖像中控制點。一個控制點通常標注在3～8張圖像上。在質量報告中會顯示是否需要在更多圖像上標出控制點。整個工程按上、中、下、左、中、右位置均勻選擇9點呈宮字格布局即可，亦可在四角附加4個點共13個點，作為初步控制點。設置完成點OK，控制點即加入工程里面。然后進行快速處理檢查，也可不做，快速處理出來的結果精度通常較低，但速度很快。在質量報告中主要注意:一是數據集；二是相機參數優化質量。

3.5 控制點刺點加密

點菜單欄視圖，打開空三射線編輯器，看到生成的連接點和系統預測控制點位置。在左側的圖像列表框會顯示這個控制點所在的所有圖像相片，控制點標記會有一個黃色圈，圈中間有一個黃色叉，在相片上用鼠標標出控制點準確位置，標記中間多個綠色叉，說明這控制點已重新參與計算得到新位置。檢查其它影像上綠色叉，如與控制點位置能對應上，這控制點不需再標注，否則在更多照片中標出這控制點。當所有圖像綠色叉位置都在正確位置上，點使用按鈕，對其控制點分別進行上述操作，當所有控制點都標注后[1]，在菜單中選重新優化，把新加入控制點加入重建，重新生成質量報告。

3.6 全自動處理

開始處理前需要進行初始化、點云加密、數字表面模型及正射影像生成設置。除特別說明一般皆為默認。

1)初始化處理設置。圖像比例特征處理選1(Original image size)，優化參數選(optimize externals and all internals)，勾選重新匹配影像。

2)點云加密設置。像素對比圖像比例選數值越大得到的細節越多，處理的時間越長，最小匹配數選3。

3)數字表面模型及正射影像生成設置。正射影像圖的GeoTiff勾選上，合并瓦片勾選上，選擇Weighted Average(加權平均)。

3.7 質量分析

自動處理完成后，軟件給出一個質量分析報告。主要關注光束法區域網平差細節、內部相機參數、地面控制點。

2)內部相機參數。提供了初始值和優化后的值的相機參數比較，相機內部參數之間的相關性由光束法平差決定。參數有焦距、像主點坐標X、像主點坐標Y、R1、R2、R3、T1、T2。

3)地面控制點。每個控制點定位精度為X、Y、Z 3個方向平均誤差。最后一列自動計算控制點自動匹配和手動標記影像數量。最后3行給出了平均誤差、標準差、均方根誤差。

報告最后能夠顯示看出有哪些控制點在無人機航拍片的位置，有哪些控制點在無人機航拍片上沒有顯示位置，要想提高精確度，根據實際情況在無人機航拍片可以全部顯示控制點。

3.8 精度對比

以檢查點野外量測為基準，讀取正射影像的位置和高程信息，其與實際測量的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計算：

式中：m1：檢查點中誤差(m)；

△:檢查點野外實測值與讀取值的誤差(m)；

n:參與評定精度的檢查點數(每幅圖20～50個)[2]。

檢查點個數35個，且呈均勻分布。分別計算平面位置X精度為0.047m，Y精度為0.061m，高程精度為0.123m。經試驗驗證后，平面及高程精度均滿足相關規范要求。

3.9 點云以及正射影像編輯輸出

通過調整拼接線→投影切換→混合影像→正射影像成果，便可生成最終正射影像成果。

4 無人機航攝及正射影像成果

在2016年5月至2020年4月的4年間，共進行26次專項航攝。獲取了184360張照片，早期1次全區航攝要分解64個飛行任務，一天只能完成4～6個任務，用時27d。隨著飛行器的更新換代和航攝參數優化，實現了資源區航攝2小時，全區航攝作業時間約5小時即告完成。