無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)教學(xué)方法研究

易俐娜

摘要：無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)為測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)提供了新手段，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)繪工程。作為攝影測(cè)量學(xué)新技術(shù)，須在攝影測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)課程中適當(dāng)增加無人機(jī)數(shù)據(jù)處理方面的教學(xué)內(nèi)容。本文結(jié)合DPGrid無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理的整體解決方案，以實(shí)際軟件操作演示案例進(jìn)行關(guān)鍵方法的講解，能達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)的目的。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；攝影測(cè)量；數(shù)據(jù)處理；教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）01-0182-02

一、引言

無人機(jī)低空航拍攝影技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有續(xù)航時(shí)間長、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、高分辨率、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，其獲得的航拍數(shù)據(jù)被越來越多的應(yīng)用于各種測(cè)繪項(xiàng)目[2]，以獲取測(cè)繪4D產(chǎn)品。然而由于無人機(jī)體積小，容易受天氣風(fēng)力影響，飛行姿態(tài)差，航片重疊度不規(guī)則，航片傾斜角和旋偏角容易偏大，且航拍攜帶非量測(cè)相機(jī)相幅小、相片基線短、圖面質(zhì)量較差、經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)影像模糊，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法較難實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)的快速處理。為滿足工程應(yīng)用的需要，一些新的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)被提出，相關(guān)技術(shù)人員的社會(huì)需求也逐漸增多[3]?？梢?，在攝影測(cè)量學(xué)本科教學(xué)中增加相關(guān)內(nèi)容以加深學(xué)生對(duì)該技術(shù)的了解非常必要。本文擬以武漢大學(xué)研發(fā)的DPGrid軟件中無人機(jī)航測(cè)整體解決方案為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容及案例，達(dá)到讓學(xué)生了解無人機(jī)航片處理關(guān)鍵技術(shù)的目標(biāo)。

（一）無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理教學(xué)內(nèi)容

無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包括低空航測(cè)的定義、低空無人機(jī)平臺(tái)、低空無人機(jī)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及低空數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵方法及步驟[4、5]。低空航測(cè)就是在較低相對(duì)航高采用小型飛行器搭載小像幅數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量工作。該技術(shù)在我國最早發(fā)展于20世紀(jì)90年代，從2008年開始無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)第一次在應(yīng)急救災(zāi)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。常見的低空無人機(jī)平臺(tái)有三角翼、飛艇、輕型飛機(jī)等，能搭載各種2000萬像素以上小像幅相機(jī)作為傳感器進(jìn)行航空攝影。由于成本較低，且能靈活機(jī)動(dòng)地應(yīng)用于小范圍航測(cè)和應(yīng)急測(cè)繪，2010年4月無人機(jī)被集中裝配到全國各省局以推廣其應(yīng)用。2011年，武漢大學(xué)研發(fā)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格DPGrid軟件被正式推出，作為一個(gè)高性能海量航空航天遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它打破了傳統(tǒng)的攝影測(cè)量流程，集生產(chǎn)、質(zhì)量檢測(cè)、管理為一體，能合理的安排人、機(jī)的工作，充分應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字影像匹配、高性能并行計(jì)算、海量存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，大幅度地提高了數(shù)據(jù)處理的效率，縮短地圖更新周期，提高空間信息獲取的實(shí)時(shí)性，特別是對(duì)大型的自然災(zāi)害的快速評(píng)估、應(yīng)急反映的方面，對(duì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及軍事安全等都具有重要的意義。其中完整的無人機(jī)航測(cè)整體解決方案針對(duì)低空航測(cè)數(shù)據(jù)的航片重疊度不規(guī)則、傾斜角和旋偏角容易偏大、像幅小、基線短、圖面質(zhì)量較差、影像模糊等數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)，提出了許多先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，包括小像幅影像畸變修正、影像增強(qiáng)、特征點(diǎn)提取、多級(jí)金字塔處理、大傾角立體像對(duì)的影像匹配、自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)、GPS/IMU光束法平差、影像勻光勻色、正射影像制作及自動(dòng)鑲嵌等，為利用無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)高效生產(chǎn)大比例尺DOM、DEM、DLG等測(cè)繪產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。在教學(xué)中，以上新方法的主要功能及實(shí)現(xiàn)步驟可通過對(duì)DPGrid軟件的演示操作案例進(jìn)行講解，以加深學(xué)生的理解。

（二）DPGrid無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程及教學(xué)案例

在DPGrid軟件中，無人機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)用了網(wǎng)格計(jì)算的先進(jìn)算法，能提高數(shù)據(jù)處理的效率[7]，在災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)中發(fā)揮了巨大作用。無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的基本流程如圖1所示。第一步是創(chuàng)建工程，設(shè)置工程目錄等參數(shù)；第二步，設(shè)置相機(jī)參數(shù)，排列航帶，進(jìn)行影像預(yù)處理，包括內(nèi)定向、畸變改正、影像勻色等，影像處理完后可以得到測(cè)區(qū)影像圖。在測(cè)區(qū)影像圖上先手工選擇航帶內(nèi)和航帶間的同名點(diǎn)，然后通過全自動(dòng)影像匹配獲得加密點(diǎn)（圖2）；第三步，量測(cè)一些地面控制點(diǎn)為平差計(jì)算加密點(diǎn)的地面三維坐標(biāo)做準(zhǔn)備；第四步，利用光束法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行粗差剔除，并調(diào)整同名點(diǎn)的位置，使得平差結(jié)果滿足工程精度，獲得加密點(diǎn)坐標(biāo)和影像的外方位元素；最后，建立數(shù)字高程模型（DEM），編輯DEM，進(jìn)行正射影像生產(chǎn)、編輯，得到最終的測(cè)繪產(chǎn)品（圖3）。

為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)處理中各步驟的理解，在教學(xué)中還會(huì)以無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的DPGrid操作演示案例進(jìn)行講解。該案例采用4條航帶，總計(jì)20個(gè)無人機(jī)航片（圖4）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的操作。首先創(chuàng)建工程，然后進(jìn)行相機(jī)參數(shù)設(shè)置、控制點(diǎn)設(shè)置、航帶設(shè)置，進(jìn)行影像預(yù)處理，接著在影像匹配前先加入一些種子點(diǎn)，進(jìn)行影像全自動(dòng)匹配，自動(dòng)找到同名像點(diǎn)。接著進(jìn)行光束法平差剔除粗差點(diǎn)，然后加入控制點(diǎn)進(jìn)行光束法平差以獲得相片外方位元素和加密點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后生產(chǎn)測(cè)繪產(chǎn)品，并進(jìn)行產(chǎn)品編輯。如圖5為案例數(shù)據(jù)生產(chǎn)的數(shù)字正射影像（DOM）。

二、總結(jié)

無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)是測(cè)繪專業(yè)學(xué)生需要掌握和了解的新技術(shù)之一，本文利用DPGrid軟件中的無人機(jī)航測(cè)解決方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容及案例，能激發(fā)學(xué)生對(duì)攝影測(cè)量學(xué)這一課程的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中更積極主動(dòng)的探求新知識(shí)，通過案例教學(xué)能讓學(xué)生把理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去，為他們將來的工作奠定了良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉敏，趙力彬，張新利.低空無人機(jī)影像處理技術(shù)及方法探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012，35（2）.

[3]李德仁，李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2014，39（5）.

[4]劉剛，許宏健，馬海濤，等.無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)急服務(wù)保障中的應(yīng)用與前景[J].測(cè)繪與空間地理信息，2011，34（4）.

[5]張周威，余濤，孟慶巖，等.無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程及產(chǎn)品分級(jí)體系研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（5）.

[6]魯恒，李永樹，何敬，等.無人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取與處理[J].測(cè)繪工程，2011，20（1）.

[10]洪運(yùn)富，楊一鵬，楊海軍.DPGrid_LAT在尾礦庫無人機(jī)遙感影像處理中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2013，（11）.