基于無人機(jī)影像的真正射影像制作研究

周智勇

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

1 引言

傳統(tǒng)的正射影像利用定向后的影像和數(shù)字高程模型DEM通過數(shù)字微分糾正技術(shù)獲取，其地形地貌經(jīng)過了數(shù)字微分糾正，但并未考慮人工建筑物等空間目標(biāo)，依然存在投影差。大比例尺城市地區(qū)正射影像中，建筑物傾斜、遮擋問題更為嚴(yán)重，如將矢量地圖疊加到正射影像上，會(huì)表現(xiàn)出道路線橫穿建筑物以及建筑物矢量輪廓無法與其自身疊合等問題，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致其失去地理參考價(jià)值，不足以作為底圖使用［3］。真正射影像即是在上述背景下提出來的一種更高級(jí)的正射產(chǎn)品。真正射影像兼?zhèn)淞素S富的紋理信息和地形圖的幾何屬性，受到了國(guó)內(nèi)外攝影測(cè)量學(xué)者的廣泛關(guān)注。

常規(guī)航攝因?yàn)樘鞖庠?、空域管制等諸多限制因素，獲取能夠滿足真正射影像制作的影像成本太高。而無人機(jī)航攝系統(tǒng)因其快速機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力、操作簡(jiǎn)單、使用成本低及高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)獲取能力等優(yōu)勢(shì)［4］，成為獲取大重疊度影像的較佳選擇。

目前能夠完成數(shù)字真正射影像制作的有像素工廠、INPHO等數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。無人機(jī)影像具有數(shù)據(jù)量大、POS精度較低等特點(diǎn)，像素工廠支持海量數(shù)據(jù)處理及針對(duì)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的專有優(yōu)化模型，因此本文選擇像素工廠進(jìn)行無人機(jī)影像的數(shù)字真正射影像制作研究。

2 基于無人機(jī)影像的真正射影像制作流程

如圖1所示:

圖1 基于無人機(jī)影像的真正射影像制作流程

3 基于像素工廠的無人機(jī)影像空三

無人機(jī)影像采用普通民用相機(jī)航攝獲取，具有像幅小、影像張數(shù)多、POS精度低、相機(jī)投影中心與POS系統(tǒng)之間存在偏差等特點(diǎn)。像素工廠設(shè)計(jì)有針對(duì)無人機(jī)影像的專有模塊——MultiFrame，通過像素工廠QGIS軟件對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)排航帶及編輯處理，并編寫相機(jī)文件，得到滿足像素工廠數(shù)據(jù)格式的POS及相機(jī)文件，同時(shí)依排航帶后POS數(shù)據(jù)中影像名對(duì)影像進(jìn)行重命名。在像素工廠中定義項(xiàng)目橢球與投影，導(dǎo)入POS及影像數(shù)據(jù)。

在像素工廠平臺(tái)上處理無人機(jī)遙感影像時(shí)，依據(jù)影像像幅設(shè)置合適參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)布點(diǎn)，進(jìn)行航帶內(nèi)及航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)，同時(shí)依據(jù)初始POS數(shù)據(jù)投影偏差確定同名影像搜索范圍、相似度等參數(shù)，進(jìn)行基于物方的同名點(diǎn)自動(dòng)影像匹配。利用密集的連接點(diǎn)構(gòu)建自由網(wǎng)，通過專有優(yōu)化模型，考慮了鏡頭畸變、內(nèi)方位元素參數(shù)、POS與相機(jī)投影中心之間的偏心矢量和偏心角以及切比雪夫多項(xiàng)式系數(shù)等多種因素的影響，并將這些因子作為優(yōu)化參數(shù)，通過分組綁定實(shí)施空三優(yōu)化，形成穩(wěn)健的自由網(wǎng)［5］。導(dǎo)入地面控制點(diǎn)進(jìn)行判讀量測(cè)，與自由網(wǎng)進(jìn)行空三聯(lián)合平差，直至基本定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)符合成圖精度。

4 真正射影像制作

真正射影像制作主要包括兩方面:遮蔽區(qū)域檢測(cè)和紋理修補(bǔ)。其中，遮蔽區(qū)域檢測(cè)包括兩種方法:①利用自動(dòng)匹配獲取的數(shù)字表面模型進(jìn)行遮蔽區(qū)域檢測(cè);②利用數(shù)字建筑物模型檢測(cè)遮蔽區(qū)域。像素工廠利用數(shù)字表面模型進(jìn)行遮蔽區(qū)域檢測(cè)。

4.1 像素工廠真正射影像制作原理

像素工廠生產(chǎn)真正射影像時(shí)需要使用準(zhǔn)確的數(shù)字表面模型，數(shù)字表面模型起到的關(guān)鍵作用是可以幫助探測(cè)到影像中的封閉地物。其原理可以被理解為:如果連接透視中心和數(shù)字表面模型影像中的一個(gè)點(diǎn)的光束遇到某地物，則此數(shù)字表面模型影像中的點(diǎn)的原始影像中將被此地物遮擋。如圖2所示:

圖2 地面表面模型中地物遮擋示意圖

真正射糾正處理即檢查所有影像，從而檢測(cè)封閉地物，使用所有重疊影像中的有效像素替換被地物遮擋的影像內(nèi)容，原則上使用入射角最小的影像像素。

4.2 數(shù)字表面模型獲取

像素工廠采用以下步驟生產(chǎn)DSM數(shù)據(jù):

(1)從每個(gè)立體像對(duì)中提取高程模型數(shù)據(jù)。

(2)使用Merge DSM命令將所有子DSM數(shù)據(jù)合并成一個(gè)全局的DSM文件。使用內(nèi)插值替代無值像素，在子DSM重疊區(qū)域采取過濾和平滑等處理方法消除由影像拼接引起的錯(cuò)誤。

(3)使用Interpolate DSM命令，采用內(nèi)插算法，使用臨近有效高程值替換無效高程值。

在實(shí)際情況中，影像中的垂直物體將會(huì)遮擋部分地面區(qū)域。同樣不可避免的是，影像匹配處理在部分區(qū)域匹配失敗或生成錯(cuò)誤匹配結(jié)果:這將導(dǎo)致位于此類區(qū)域中的象元Z值錯(cuò)誤。除此之外，DSM中還將存在一些由成像問題導(dǎo)致的其他錯(cuò)誤。為了最大限度地減少手工編輯工作量，建議使用所有可用影像數(shù)據(jù)填補(bǔ)無值區(qū)域，或者使用其他立體像對(duì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插處理。當(dāng)合并子DSM文件后，應(yīng)該使用過濾工具清除由影像拼接引起的錯(cuò)誤。

4.3 真正射影像糾正

真正射糾正處理將原始影像中的所有像素重投影到最終產(chǎn)品坐標(biāo)系統(tǒng)中，并且必須正確定義影像中所有像素的XYZ坐標(biāo)值，包括位于建筑物屋頂和植被冠層的像素。正射影像中的所有像素都來源于入射角最小的原始影像數(shù)據(jù)。真正射影像將使用所有重疊影像中的可用像素重現(xiàn)某些原始影像中被高大建筑物遮擋的影像內(nèi)容。

重采樣處理流程:

(1)創(chuàng)建一張空的輸出影像;

(2)對(duì)輸出影像中的每個(gè)像素投影到DSM數(shù)據(jù)中;

(3)識(shí)別相鄰像素均可見的影像，在輸出影像中插入入射角最小的輸入影像像素;

(4)實(shí)施輻射均衡處理。

5 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)區(qū)位于重慶市墊江縣城，采用Canon 5D II相機(jī)進(jìn)行航攝，共獲取有效像片936張，6條航線，覆蓋面積約 27 km2。影像尺寸為 7 168×5 440像素，分辨率 0.11 m，焦距為 24 mm，像元大小為 6μm，相對(duì)航高為 450 m，航向重疊約86%，旁向重疊約58%。原始影像中高層建筑物向各個(gè)方向傾斜，如圖3所示。像素工廠利用無人機(jī)POS數(shù)據(jù)結(jié)合外業(yè)實(shí)測(cè)像控成果進(jìn)行空三，空三精度如圖4所示。像素工廠中自動(dòng)生成DSM如圖5所示，編輯后DSM如圖6所示。利用DSM成果糾正制作TDOM，套合 1∶500地形圖情況如圖7所示。圖8為該區(qū)域DOM成果套合 1∶500地形圖情況。

從圖8可以看出，正射影像受高層房屋傾斜影響，會(huì)遮擋鄰近低矮地物，且套合矢量時(shí)高層房屋頂部與矢量相差較遠(yuǎn)，作為參考底圖使用受到一定影響。從圖7可以看出，真正射影像能夠表現(xiàn)更多的地表紋理，并且與矢量套合情況良好，可以更好地服務(wù)于消防、市政、規(guī)劃、建設(shè)等各個(gè)行業(yè)。

圖3 高層建筑物朝不同方向傾斜

圖4 空三結(jié)果

圖5 像素工廠自動(dòng)生成DSM

圖6 處理后DSM

圖7 TDOM套合 1∶500地形圖

圖8 DOM套合 1∶500地形圖

6 結(jié)語

由于無人機(jī)遙感技術(shù)的成熟，無人機(jī)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在常規(guī)航測(cè)生產(chǎn)中。本文探討了利用像素工廠進(jìn)行無人機(jī)影像空三、自動(dòng)數(shù)字表面模型獲取及數(shù)字真正射影像制作原理及流程，并通過試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了真正射影像制作。結(jié)果表明，基于無人機(jī)影像利用像素工廠制作數(shù)字真正射影像方法可行，精度可靠，具有一定的推廣價(jià)值。通過本次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用無人機(jī)影像制作真正射影像，在航攝、空三及后期數(shù)據(jù)處理需要注意以下幾點(diǎn):

(1)無人機(jī)航攝首先應(yīng)滿足低空航攝各項(xiàng)要求，同時(shí)考慮無人機(jī)航攝時(shí)航高較低，高層建筑的傾斜現(xiàn)象較常規(guī)航攝更明顯，對(duì)周圍低矮建筑的遮擋更多，因此航攝時(shí)較常規(guī)航攝應(yīng)具有更高的旁向和航向重疊度。為減少真正射影像的遮蔽區(qū)域，航向和旁向重疊最好達(dá)到80%或更高。

(2)影像重疊較大，加密點(diǎn)具有較高維度，因此自由網(wǎng)具有較高的可靠性，同時(shí)像素工廠支持POS輔助空三，因此對(duì)外業(yè)像控點(diǎn)需求不大，可大幅減少外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，航帶內(nèi)像控點(diǎn)基線條數(shù)達(dá)到35條，航帶間航線間隔條數(shù)達(dá)到3條。

(3)大重疊航攝導(dǎo)致影像張數(shù)驟增，后期空三及真正射影像制作數(shù)據(jù)量非常大，需要采用像素工廠采用多結(jié)點(diǎn)并行運(yùn)算、磁盤陣列存儲(chǔ)等技術(shù)支持的遙感影像處理系統(tǒng)。

［1］ 萬從容，郭容寰，楊常紅.數(shù)字真正射影像的研制［J］.上海地質(zhì)，2009(4):33－36.

［2］ 王濤.真正射影像制作中有關(guān)算法的研究［D］.北京:中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，2002.

［3］ 許彪.基于航空影像的真正射影像制作關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2002.

［4］ 范承嘯，韓俊，熊志軍等.無人機(jī)遙感技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用［J］.測(cè)繪科學(xué)，2009(9):214～215.

［5］ 鄒曉亮，繆劍，張永生等.基于像素工廠的無人機(jī)影像空三優(yōu)化技術(shù)［J］.測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(5):362～367.