DPGrid_LAT在尾礦庫無人機遙感影像處理中的應(yīng)用

洪運富，楊一鵬，楊海軍

（環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

一、引 言

“十一五”以來，我國環(huán)境質(zhì)量狀況局部有所改善，總體尚未遏制，重大環(huán)境事件頻發(fā)，環(huán)境形勢非常嚴(yán)峻。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境管理的“哨兵”和“耳目”，嚴(yán)峻的環(huán)境形勢迫切需要構(gòu)建“天-空-地”一體化的先進環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系，大力發(fā)展衛(wèi)星遙感、無人機遙感等高科技手段，不斷增強我國環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用能力，高效支撐服務(wù)國家環(huán)境管理。

無人機遙感是衛(wèi)星遙感和航空遙感的有益補充，又具有其他遙感手段無法比擬的獨特優(yōu)勢，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、反應(yīng)快速、易于轉(zhuǎn)場的特點，利用它可以靈活快速地獲取高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢性的遙感影像。它不僅可以完成傳統(tǒng)航攝飛機的任務(wù)，而且可以進入傳統(tǒng)手段無法覆蓋的領(lǐng)域，廣泛用于抗震救災(zāi)、高危區(qū)域調(diào)查和環(huán)境遙感監(jiān)測等。

二、尾礦庫危害和張家口尾礦庫簡介

尾礦庫是當(dāng)前最重要的環(huán)境風(fēng)險源之一。尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦、濕法冶煉過程中產(chǎn)生的廢物或其他工業(yè)廢渣的場所，一般由尾礦堆存系統(tǒng)、尾礦庫排洪系統(tǒng)、尾礦庫回水系統(tǒng)等幾部分組成。這些尾礦不僅數(shù)量大，而且有些礦中含有暫時未能回收的有用成分，若隨意排放不僅會造成資源流失，更重要的是大面積覆沒農(nóng)田、淤塞河道，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和各種災(zāi)害，因此必須將尾礦加以妥善處理。

張家口市地處京晉冀蒙交界處，距北京約180 km，位于北京水源地上游，北京市重要飲用水源地——官廳水庫入庫補水量的85%和密云水庫的47%來自該市，地理位置十分敏感。據(jù)2010年5月的統(tǒng)計，其轄區(qū)內(nèi)共有尾礦庫520多座，約占全國4%，其中涉重尾礦庫30座，具有數(shù)量多、類型全、范圍廣、密度大等特點，多數(shù)尾礦庫下游分布有居民地、河流、農(nóng)田、自然保護區(qū)等不同類型環(huán)境敏感對象，環(huán)境風(fēng)險突出。為推動尾礦庫環(huán)境應(yīng)急管理工作，探索尾礦庫環(huán)境應(yīng)急管理長效機制，2010年，環(huán)境保護部在張家口市開展尾礦庫環(huán)境應(yīng)急管理試點工作，綜合利用無人機遙感技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)和地面調(diào)查相結(jié)合的手段，開展了張家口市重點尾礦庫環(huán)境遙感監(jiān)測。

三、DPGrid_LAT系統(tǒng)簡介

數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格（DPGrid_LAT）是由中國工程院院士張祖勛提出并指導(dǎo)研制出的新一代數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。它打破了傳統(tǒng)的攝影測量流程，應(yīng)用先進高性能并行計算、海量存儲與網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，采用改進的影像匹配算法，實現(xiàn)了自動空三、自動DEM與正射影像生成，自動化程度和系統(tǒng)效率大大提高，實現(xiàn)了航空航天遙感數(shù)據(jù)的自動化快速處理和空間信息的快速獲取。DPGrid擁有低空、航空、航天遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及DPGrid_LAT無縫測圖系統(tǒng)，能夠滿足三維地理空間信息快速采集與更新的需要，可為國民經(jīng)濟與社會發(fā)展各方面提供具有現(xiàn)勢性的三維地理空間信息。

DPGrid_LAT可以實現(xiàn)并行處理功能，大大提高作業(yè)效率，包括影像預(yù)處理、自動匹配、DEM制作、DOM制作。軟件流程如圖1所示。

圖1 DPGrid_LAT軟件流程圖

1.創(chuàng)建工程和匹配參數(shù)設(shè)置

在DPGrid_LAT中新建工程，并將新建的工程路徑指定到之前建好的測區(qū)文件夾下。根據(jù)相機的校驗文件設(shè)置相機各項參數(shù)，攝影類型設(shè)為“低空攝影”，匹配參數(shù)設(shè)置主要設(shè)置水平重疊度、垂直重疊度及相應(yīng)的搜索范圍。

2.數(shù)據(jù)處理

在軟件中導(dǎo)入航空影像，DPGrid_LAT接受各種數(shù)字影像，包括 TIFF、TiledTIFF、JPEGTIFF、Geo-TIFF、以11 bit位存儲的 TIFF影像、JPG、BMP格式等。將無人機航空影像導(dǎo)入軟件后，進行航帶設(shè)置和航線對齊，可以實現(xiàn)并行處理功能，大大提高作業(yè)效率，包括影像預(yù)處理、自動匹配、DEM制作、DOM制作。

3.自動空中三角測量

空中三角測量是利用一個區(qū)域中多幅影像連接點的影像坐標(biāo)，加上很少的已知影像坐標(biāo)和物方空間坐標(biāo)的地面控制點，利用模式識別技術(shù)和多像影像匹配等方法，通過區(qū)域網(wǎng)平差計算，代替人工在影像上自動選點與轉(zhuǎn)點，求解連接點的物方空間坐標(biāo)與影像的外方位元素；同時自動獲取像點坐標(biāo)，提供給區(qū)域網(wǎng)平差程序解算，以確定加密點在選定坐標(biāo)系中的空間位置和影像的定向參數(shù)。空中三角測量是后續(xù)的一系列無人機數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)，如創(chuàng)建DEM、DTM、DOM和立體測圖等。

1）自動匹配。自動匹配是空三中很重要的一步操作，很多情況下可以直接決定后面的空三人工交互的工作量。這一步程序基于人工添加的少量偏移量，自動尋找航帶內(nèi)和航帶間同名點。在自動匹配下也可以實現(xiàn)并行匹配，提高了作業(yè)效率。

2）自動挑點。自動挑點是對程序匹配后的同名點建立相互連接關(guān)系，進行標(biāo)準(zhǔn)點位保留點個數(shù)的篩選，并嵌入平差功能，初步剔除測區(qū)內(nèi)粗差大的連接點，減少空三挑粗差點的工作量。

3）交互式編輯。挑點結(jié)束之后進入交互式編輯界面，對匹配后的結(jié)果進行空三加密內(nèi)業(yè)處理，利用光速法平差方法進行平差解算?？杖用苋斯そ换サ牧鞒淌且粋€不斷平差和挑點的循環(huán)過程，此循環(huán)操作一直進行到像點中誤差和最大像點殘差及控制點最大誤差都達到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為止?？杖用芄ぷ魍瓿芍螅敵隹杖Y(jié)果文件，為后續(xù)產(chǎn)品制作所用。

4）平差功能介紹。平差分為POS平差、分航帶平差、自由網(wǎng)平差和區(qū)域網(wǎng)平差。POS平差是針對外業(yè)控制點較少或無控制點的狀況下，利用高精度的POS數(shù)據(jù)輔助空三平差，提高空三精度；分航帶平差是針對測區(qū)整個網(wǎng)連接不好的情況，先選擇單條或多條航帶平差，逐步調(diào)整；自由網(wǎng)平差是通過得到的特征匹配點構(gòu)建測區(qū)加密網(wǎng)，經(jīng)空三平差后，當(dāng)整個加密網(wǎng)達到收斂狀態(tài)，即可利用空三加密結(jié)果生成正射拼圖；區(qū)域網(wǎng)平差是利用外業(yè)控制點將測區(qū)內(nèi)所有像點歸算至大地坐標(biāo)系，確定整個加密網(wǎng)的絕對位置。

4.產(chǎn)品生產(chǎn)

產(chǎn)品生產(chǎn)可以利用控制網(wǎng)的空三成果快速制作DEM和DOM，包括正射拼圖和正射影像。DOM正射影像的制作可以基于DEM或DLG數(shù)據(jù)進行影像拼接，并對測區(qū)整體影像進行勻光勻色、色調(diào)均衡處理，以達到較好的圖面效果。

在應(yīng)急快速響應(yīng)時也可以基于粗略的DEM結(jié)果快速生產(chǎn)正射影像圖，或在無控制測區(qū)利用空三結(jié)果進行正射拼圖生產(chǎn)，以達到快速生成影像圖的目的。

5.正射影像編輯

在模塊編輯中可利用編輯好的DEM進行影像的自動采樣更新，實現(xiàn)無縫接邊。制作正射影像時，為方便DOM數(shù)據(jù)的高效存取與處理，可首先將影像劃分為格網(wǎng)，根據(jù)影像的投影中心劃分鑲嵌分界線；然后對投影差進行分析，根據(jù)投影差與數(shù)字表面模型（DSM）修改不合適的鑲嵌分界線；最后在鑲嵌分界線的鄰域進行灰度與色彩的平滑過渡，具有系統(tǒng)靈活、方便的特點。

DPGrid_LAT與Photoshop圖像處理軟件留有接口，雙擊圖片時可以直接在Photoshop中對框選部門的影像進行編輯，并將編輯結(jié)果反饋到DPGrid_LAT中。

6.產(chǎn)品輸出

根據(jù)產(chǎn)品需求，可輸出框選區(qū)域DEM、DLG和DOM成果，標(biāo)準(zhǔn)圖幅成果，金字塔DOM成果。圖2為利用無人機數(shù)據(jù)完成的張家口崇禮縣紫金礦業(yè)尾礦庫周邊敏感對象分布圖。

圖2 張家口崇禮縣紫金礦業(yè)尾礦庫周邊敏感對象分布圖

四、結(jié)果分析

本次使用的尾礦庫無人機影像數(shù)據(jù)，由于飛行時天氣原因?qū)е掠跋褓|(zhì)量較差，但后期圖像處理時采用DPGrid系統(tǒng)進行影像密集匹配，幾乎不需要人工干預(yù)，自動匹配的成功率較高，順利完成了300多張無人機遙感影像的快速拼接。制作的數(shù)字正射影像圖能夠清晰地反映尾礦庫周圍的居民點、飲用水源地等環(huán)境敏感對象，滿足環(huán)境監(jiān)管需要，為環(huán)境應(yīng)急管理提供了重要的支持。

實踐表明，DPGrid的分布式海量數(shù)據(jù)管理和正射影像處理能夠為正射影像加工生產(chǎn)提供一體化解決方案，能夠快速、高效地處理非常規(guī)海量無人機航空遙感數(shù)據(jù)，從而達到簡化生產(chǎn)流程、提高作業(yè)效率的目的。

五、結(jié)束語

本文通過對使用DPGrid處理無人機數(shù)據(jù)方法的介紹，表明了該方法的優(yōu)勢在于采用一體化解決方案、先進的數(shù)字影像匹配、高性能并行計算。在保證一定的精度下，以較少的人工干預(yù)，能夠以最快的速度完成整個測區(qū)的處理過程，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率。且對機器硬件要求不高，在對速度要求不高時一般的工作站即可滿足處理要求，滿足無人機數(shù)據(jù)在測繪方面、環(huán)境事故應(yīng)急和風(fēng)險防控的需要，為無人機數(shù)據(jù)處理市場提供了新的解決方案。

［1］ 張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，1997:1-5.

［2］ 張祖勛.從數(shù)字?jǐn)z影測量工作站（DPW）到數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格（DPGrid）［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2007，32（7）:565-570.

［3］ 雷添杰，李長春.無人機航空遙感系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2011，20（1）:178-183.

［4］ 董智杰.基于DPGrid的低空無人機航攝影像的應(yīng)用研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2011:5-6.

［5］ 初愛萍.基于DPGrid軟件的無人機數(shù)據(jù)處理［J］.科技傳播，2010（20）:196-197.

［6］ 姜麗麗，李桃，殷福忠.基于DPGRID高精度影像的影像快速糾正試驗研究［J］.測繪與空間地理信息，2011，34（4）:78-80.

［7］ 吳曉燕，徐颯娟，馬冬青.SSK空三成果與DPGRID系統(tǒng)對接［J］.礦山測量，2011，10（5）:25-27.

［8］ 張祖勛，柯濤，郭大海，等.數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格在汶川大地震中的快速響應(yīng)［J］.中國工程科學(xué)，2009，11（6）:54-62.

［9］ 王家玉，朱陳明.利用DPGrid系統(tǒng)制作影像圖的有關(guān)問題探討［J］.測繪技術(shù)裝備，2010，12（3）:31-34.

［10］ 王光明，張勇，高淑芬.空三加密更新測量在大比例尺數(shù)字化成圖中的應(yīng)用［J］.地理空間信息，2010，8（6）:50-52.

［11］ 張敏，劉潘.高分辨率無人機低空影像DEM的建立及其精度研究［J］.測繪科學(xué)，2011，36（4）:201-203.