無人機影像驗片輔助系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張鳳梅，葉菲

(1.江蘇今邁數(shù)字空間技術(shù)股份有限公司，江蘇南京 210019;2.南京今邁勘測監(jiān)理有限公司，江蘇南京 210005)

1 引言

UAV(Unmanned Air Vehicle，無人駕駛航空飛行器)遙感平臺的出現(xiàn)為快速獲取高分辨率遙感圖像提供了一種新的技術(shù)途徑。無人機的機動性、靈活性使得它不要求專用起降場地，特別適合在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)、國內(nèi)南部丘陵、多云地區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害、應(yīng)急工程等區(qū)域應(yīng)用。無人機攜帶的數(shù)碼成像設(shè)備具備低空多角度攝影獲取建筑物多面高分辨率紋理影像的技術(shù)能力，彌補了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影獲取城市建筑物時遇到的高層建筑遮擋問題。無人機遙感平臺的劣勢也很明顯，如像幅小、基高比小，相同的重疊度情況下，需要更多的控制點;姿態(tài)不穩(wěn)定，旋偏角、俯仰、滾動，甚至導(dǎo)致連接有問題;非專業(yè)量測相機，光敏度、像點位移、存在鏡頭畸變及其他未知的系統(tǒng)誤差。所以如何客觀地評價無人機飛行質(zhì)量及其參數(shù)就是一個值得探討的問題。筆者結(jié)合參與南京高新開發(fā)區(qū)無人機影像驗片項目生產(chǎn)及配套軟件開發(fā)的經(jīng)驗，對無人機影像驗片輔助系統(tǒng)的實現(xiàn)作簡要探討，供大家參考指證。

2 傳統(tǒng)人工底片法驗片

用底片法驗片主要是通過特制的檢查尺、量角器及透圖臺等檢查工具，參考航攝飛行技術(shù)設(shè)計書、標(biāo)有設(shè)計航線、測區(qū)界線的地形圖及飛行記錄表等資料，通過人工配準(zhǔn)兩相鄰底片的同名點，進行相關(guān)參數(shù)的量取計算，求出航向重疊度，旁向重疊度，像片旋偏角，航線彎曲度等數(shù)據(jù)，從而判斷航攝飛行質(zhì)量情況，得出是否有質(zhì)量元素超出規(guī)范，是否存在航向或航線間的相對漏洞和絕對漏洞。

傳統(tǒng)人工底片法驗片最大的優(yōu)勢在于工具和方法簡單，不需借助專業(yè)軟件甚至是計算機，便可以達到質(zhì)檢項目中所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和量化指標(biāo)，但其缺點也很明顯，首先人工配準(zhǔn)受相片分辨率限制，配準(zhǔn)精度很低;其次，人工工作量很大，需長時間重復(fù)配準(zhǔn)、讀取檢查尺讀數(shù)、手工記錄參數(shù)并計算、像片主點位置、相片號精確標(biāo)注到地形圖等步驟，作業(yè)員易疲勞，易出錯;最后，每個作業(yè)員水平不一，但配準(zhǔn)結(jié)果無法保留，不易檢查作業(yè)質(zhì)量，也就很難控制作業(yè)質(zhì)量。無人機相片像幅小，同樣測區(qū)面積要比DMC相片數(shù)量多4倍以上，全部采用傳統(tǒng)人工底片法驗片不僅耗費大量人力，而且打印相片成本相對較高。

3 無人機影像驗片輔助系統(tǒng)

基于AutoCAD平臺的無人機影像驗片輔助系統(tǒng)是利用AutoCAD軟件的影像處理功能，結(jié)合VB.net開發(fā)平臺進行二次開發(fā)，提供一種在計算機中進行人工交互相片配準(zhǔn)的功能。進行相片相對定位，并用輔助系統(tǒng)功能直接計算驗片的相關(guān)參數(shù)并自動記錄，從而達到計算機輔助驗片的效果。

3.1 AutoCAD影像處理平臺

由于本次無人機相片提供的是JPG格式的電子文件，要實現(xiàn)計算機輔助驗片，必須選擇影像處理平臺或從底層進行開發(fā)，通過對比多種影像處理平臺(ERDAS IMAGINE、ENVI、ArcGIS)等二次開發(fā)的難易程度，本著簡單、快速、高效的原則，最終確定以AutoCAD平臺作為驗片輔助系統(tǒng)的影像處理平臺。

AutoCAD軟件提供的影像處理功能與ERDAS IMAGINE、ENVI等專業(yè)影像軟件相比最大優(yōu)勢就是操作簡單，易于學(xué)習(xí)和進行二次開發(fā)。AutoCAD影像處理對象只包含Raster一個，在對象模型中的位置如圖1所示。Raster支持JPG、TIFF等格式影像文件，提供Move、Rotate、ScaleEntity、IntersectWith 等有限的幾個操作影像的方法，利用這幾個簡單的方法即可實現(xiàn)無人機影像驗片輔助系統(tǒng)。

圖1 對象模型圖

3.2 系統(tǒng)功能框架圖

本文根據(jù)航空攝影規(guī)范所規(guī)定的驗片所需檢查的質(zhì)量元素和檢查項的要求，結(jié)合作業(yè)實際和無人機相片的特點，進行了無人機影像驗片輔助系統(tǒng)的研究和設(shè)計，總體功能框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體功能框架

3.3 無人機影像驗片輔助系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)功能的相關(guān)性和聯(lián)系的緊密程度，將系統(tǒng)分為用戶登陸模塊、任務(wù)選擇面板模塊、相片相對定位模塊、條帶影像查看模塊、信息查詢統(tǒng)計模塊、定位信息導(dǎo)出模塊、生成報表信息模塊7個子模塊，每個模塊完成一組各自不同的功能，具體設(shè)計如下:

(1)用戶登陸模塊:由于驗片定位結(jié)果統(tǒng)一存放于一個Access數(shù)據(jù)庫中，多個作業(yè)員同時進行驗片操作，為保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全以及統(tǒng)計各作業(yè)員的工作量需要而設(shè)置。設(shè)定好參與項目的作業(yè)員及相應(yīng)權(quán)限，登陸后方可使用系統(tǒng)進行操作。

(2)任務(wù)選擇面板模塊:本模塊是系統(tǒng)功能的集中展現(xiàn)，是進入系統(tǒng)后用戶面對的第一個界面，系統(tǒng)提供的功能在面板上一目了然，并提供相關(guān)功能說明和使用步驟的提示。

(3)相片相對定位模塊:本模塊是為取代手工配準(zhǔn)底片而設(shè)計，通過條帶文件夾設(shè)置，自動在AutoCAD軟件界面中連續(xù)載入相鄰相片JPG文件，通過人工選擇兩對或三對同名地物點，將第二張相片匹配到合適位置，匹配滿意時可保存第二張相片的定位結(jié)果，同時保存像主點及兩相片交點坐標(biāo)，即完成相片相對工作。

(4)條帶影像查看模塊:本模塊可檢查或查看配準(zhǔn)結(jié)果。通過選擇相片文件，系統(tǒng)自動在定位數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)定位信息，根據(jù)查詢數(shù)據(jù)自動載入相片JPG文件，并進行平移、旋轉(zhuǎn)、注記帶號和片號等操作，方便查看定位配準(zhǔn)質(zhì)量情況，也可查看單張或整個測區(qū)影像的footmark。

(5)信息查詢統(tǒng)計模塊:本模塊通過對數(shù)據(jù)庫中相鄰相片的定位結(jié)果信息進行計算，可得到像對航向重疊度、旋偏角、旁向重疊度、航向彎曲度等驗片信息，并可分條帶對驗片數(shù)據(jù)進行最大值、最小值、平均值的查詢和統(tǒng)計;也可以對條帶驗片生產(chǎn)進度和每個作業(yè)員的工作量進行查詢，方便及時調(diào)整人力配備，加快驗片進度。

圖3 驗片結(jié)果報表

(6)定位信息導(dǎo)出模塊:由于AutoCAD軟件中影像查看功能很弱，影像載入較多時顯示速度會越來越慢，所以不適合大量影像的同時查看。本模塊提供定位信息，生成其他影像平臺支持的定位文件，實時調(diào)閱、檢核所需影像數(shù)據(jù)，方便影像查看。如生成TFW文件便可在ArcMap中查看定位影像。

(7)生成報表信息模塊:可以方便、快捷的生成整個測區(qū)驗片結(jié)果的報表，極大提高生產(chǎn)效率，如圖3所示，即為系統(tǒng)自動生成的報表之一。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

無人機影像驗片輔助系統(tǒng)是基于AutoCAD平臺，結(jié)合Microsoft Visual Studio 2005集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用了 Access數(shù)據(jù)庫，開發(fā)語言為 VB.NET。整個系統(tǒng)開發(fā)基于開發(fā)難度最小、速度最快、方便作業(yè)員使用的原則進行。

圖4 系統(tǒng)界面

雖然系統(tǒng)功能不甚強大，如沒有加入高級的影像自動匹配模塊，而仍然采用了人工輔助配準(zhǔn)的方式，也沒有基于功能更強大的流行的影像處理平臺進行開發(fā)，如ERDAS IMAGINE、ENVI等，主要是考慮到生產(chǎn)周期和開發(fā)成本的最小化。實際開發(fā)過程也很好地達到了這一目的，最初的版本在任務(wù)接到后3天已經(jīng)能投入生產(chǎn)使用，并在生產(chǎn)中不斷完善和加入新的功能。系統(tǒng)初始界面如圖4所示。

5 結(jié)語

無人機影像驗片輔助系統(tǒng)，在南京高新開發(fā)區(qū)無人機影像驗片項目中發(fā)揮了很好的使用效果。實踐證明，該系統(tǒng)對作業(yè)員要求低，稍加培訓(xùn)即可投入驗片生產(chǎn)，并且很容易監(jiān)督作業(yè)質(zhì)量和進度;能夠快速高效地進行大批量相片驗片工程，并保證驗片質(zhì)量和驗片結(jié)果的可追溯性，滿足規(guī)范對驗片各項質(zhì)量元素的檢查要求。但由于各種條件的限制，本系統(tǒng)對于影像的自動匹配技術(shù)的應(yīng)用還未涉及，使得生產(chǎn)效率還有待提高，還需結(jié)合影像匹配理論深入研究和應(yīng)用，進一步提高系統(tǒng)的自動化程度，加快驗片效率，減輕勞動強度，使得質(zhì)量優(yōu)良的影像成果更好地服務(wù)于城市建設(shè)和管理的各個方面。

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