基于Agisoft PhotoScan的無人機(jī)影像快速拼接在新農(nóng)村規(guī)劃中的應(yīng)用

摘要：以新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃中存在的問題為基礎(chǔ)，提出了基于Agisoft PhotoScan無人機(jī)影像的快速拼接方法在新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃中的應(yīng)用，給新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃測量帶來了極大的便利，可滿足新農(nóng)村建設(shè)的需要。

關(guān)鍵詞：新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃；Agisoft PhotoScan；無人機(jī)；快速拼接

中圖分類號：P237；TU982.29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0743-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.049

Abstract： Based on the existing problems in planning construction and of new countryside， the application of fast image mosaic method in construction and planning of new countryside on the basis of Agisoft PhotoScan UAV image was put forward， which bought great convenience for measuring the new rural construction and planning， could meet the needs of new countryside construction.

Key words：construction and planning of new countryside；Agisoft photoScan；Unmanned Aerial Vehicle；fast mosaic

黨的十六屆五中全會通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃的建議》明確提出了建設(shè)社會主義新農(nóng)村的重大歷史任務(wù)，作為新農(nóng)村建設(shè)的先行準(zhǔn)備工作，規(guī)劃測量成為必不可少的一部分[1]。但是大部分農(nóng)村村莊缺乏合理的規(guī)劃，存在建筑物混亂無序、村莊內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施等陳舊、地物復(fù)雜多樣及通視條件差等問題，給測量工作帶來了很大的困難。老街區(qū)建筑物密集且分布無序，街區(qū)道路狹窄曲折，而且一些邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)地形起伏較大，不利于進(jìn)行控制測量[2]。

無人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合形成的無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)，具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)域測繪和應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢[3，4]。為此，基于上述新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃測量存在的困難及矛盾，擬引入無人機(jī)技術(shù)對測區(qū)進(jìn)行飛行拍攝，然后利用Agisoft PhotoScan軟件對影像進(jìn)行快速拼接，從而快速精準(zhǔn)地獲取新農(nóng)村規(guī)劃建設(shè)所需要的基礎(chǔ)測繪圖件資料。

1 原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及來源

以某村為研究區(qū)域，通過無人機(jī)對該地區(qū)進(jìn)行航空攝影測量[5，6]。本測區(qū)設(shè)計(jì)飛行的航高為204.205 m，無人機(jī)上搭載的相機(jī)焦距為20 mm，測區(qū)范圍總面積達(dá)0.816 km2，獲取原始照片416張，所獲得的部分無人機(jī)影像如圖1所示。該軟件在航空攝影測量時(shí)要求60%的側(cè)向重疊和80%的航向重疊，同時(shí)應(yīng)避免閃爍的拍攝環(huán)境。

2 影像數(shù)據(jù)處理基本流程圖

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)通過先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)來快速獲取地表的信息[7]。影像數(shù)據(jù)處理基本流程圖如圖2所示。利用Agisoft PhotoScan軟件將無人機(jī)航空攝影測量數(shù)據(jù)處理應(yīng)用于新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃中，首先要將無人機(jī)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后導(dǎo)入Agisoft PhotoScan軟件，軟件對輸入的影像進(jìn)行自動對齊，同時(shí)可以增加外業(yè)采集的控制點(diǎn)，然后是定向的點(diǎn)云提取，根據(jù)研究的需要生成相應(yīng)的高密度或低密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格制作，然后賦予相應(yīng)地物的紋理信息，生成數(shù)字高程模型（DEM），最后生成拼接的影像。

3 無人機(jī)影像快速拼接的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 導(dǎo)入無人機(jī)影像

打開Agisoft PhotoScan軟件加載無人機(jī)拍攝的影像，由于本次研究區(qū)域利用無人機(jī)所獲取的影像數(shù)量較多，因此在處理影像數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)無人機(jī)的飛行航線圖，將整個區(qū)域分成2個測區(qū)塊進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理，這樣一方面可以大幅度利用計(jì)算機(jī)性能和特點(diǎn)，另一方面也可以加快無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的處理速度和效率。然后軟件進(jìn)行相機(jī)對準(zhǔn)，在這個階段，軟件可以自動尋找影像間的同名點(diǎn)，同時(shí)對照片進(jìn)行匹配，因?yàn)闊o人機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)較大，影像對準(zhǔn)需要很長時(shí)間，這個時(shí)期的很大一部分是用于匹配檢測功能的照片。如果選擇圖像相匹配的一個子集，就會加速這一過程。

3.2 數(shù)據(jù)定向及點(diǎn)云的提取

調(diào)整完成之后軟件根據(jù)攝影測量的基本原理計(jì)算出無人機(jī)影像的拍攝位置、姿態(tài)等信息，無人機(jī)影像的拍攝位置由拍攝影像時(shí)所設(shè)計(jì)的飛行航線和飛行的姿態(tài)所決定，影像的內(nèi)定向、相對定向等軟件可以自動完成，無需人為因素進(jìn)行干預(yù)。軟件根據(jù)要求生成高密度或者生成稀疏的點(diǎn)云，生成的高密度點(diǎn)云如圖3所示。然后根據(jù)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查重建邊界范圍，調(diào)整框架確保整個研究區(qū)域在限位框里面。

3.3 格網(wǎng)制作

傳統(tǒng)測繪技術(shù)主要是單點(diǎn)精確測量，要用其采集數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模就存在很多問題，因?yàn)槊枋瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)的完整屬性和在線場景的幾何信息需要采集大量的點(diǎn)，小則幾萬，多則幾百萬甚至幾千萬[8]。Agisoft PhotoScan軟件通過密集點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），TIN模型是基于區(qū)域內(nèi)有限個點(diǎn)集將區(qū)域進(jìn)行劃分，劃分的結(jié)果為相連接的三角面網(wǎng)格，區(qū)域中的任意的點(diǎn)落在相應(yīng)的三角面的頂點(diǎn)、邊上或者三角形內(nèi)。

3.4 制作紋理

根據(jù)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）進(jìn)行紋理貼圖。Agisoft PhotoScan軟件對生成紋理有5種映射模式：通用、正射影像、自適應(yīng)正射影像、球形、單一相機(jī)。本研究根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)使用正射影像模式，然后生成數(shù)字高程模型（DEM），DEM是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述[9]。

4 結(jié)果及精度評價(jià)

4.1 成果輸出

導(dǎo)出拼接后的影像時(shí)可以調(diào)整影像分辨率和影像的大小，同時(shí)在導(dǎo)出時(shí)可以分幅或者整幅影像導(dǎo)出。導(dǎo)出格式通常為TIFF/GeoTIFF（*.tif），經(jīng)過一系列處理最后將無人機(jī)影像實(shí)現(xiàn)快速拼接，拼接后的無人機(jī)影像如圖4所示。

4.2 成果精度評價(jià)

遙感影像精度檢驗(yàn)是遙感技術(shù)中一個必不可少的環(huán)節(jié)[10]。進(jìn)行精度檢驗(yàn)時(shí)，為檢驗(yàn)Agisoft PhotoScan軟件對無人機(jī)影像的快速拼接精度，采用南方S86 GPS實(shí)地測量，一共采集了33個控制點(diǎn)的坐標(biāo)，控制點(diǎn)的分布如圖5所示，所得測量數(shù)據(jù)固定解誤差在5 cm以下，其中17個點(diǎn)作為配準(zhǔn)點(diǎn)對拼接的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，然后將控制點(diǎn)坐標(biāo)輸入軟件。剩余的16個點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，分別與軟件解譯的拼接影像坐標(biāo)進(jìn)行對比，與野外測得的控制點(diǎn)高程Z值進(jìn)行比較，經(jīng)過比較，誤差基本在5 cm之內(nèi)，如圖6所示。拼接后的影像能較好地顯示道路、房屋等基礎(chǔ)地物信息，滿足新農(nóng)村規(guī)劃測量的需要。

5 小結(jié)

本研究從實(shí)際出發(fā)，以某村無人機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，靈活運(yùn)用軟件對無人機(jī)影像進(jìn)行快速拼接。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用Agisoft PhotoScan軟件對無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，可以迅速建立研究區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型（DEM），最后得到了研究區(qū)的拼接影像。該方法是基于無人機(jī)影像快速處理的技術(shù)平臺，軟件基于原始的影像獲取所需要的紋理數(shù)據(jù)，可以方便快捷地對影像進(jìn)行拼接。拼接后的影像具有很高的精度，能較好地顯示道路、房屋等地物信息，給新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃測量帶來了極大的便利，從而可快速精準(zhǔn)地獲取新農(nóng)村規(guī)劃建設(shè)所需要的基礎(chǔ)測繪圖件資料。

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