航空影像快速處理技術探討

潘明

摘 要：通過數(shù)字測繪航空攝影快速獲取高分辨率影像，能快速生成DEM、正射影像、三維景觀圖等測繪產品，能夠迅速了解災情并獲取受災地區(qū)詳細的地面三維信息，為救援隊伍提供精確、可靠的測量數(shù)據。通過在受災區(qū)域獲取的航空影像，基于PHOTOMOD軟件進行數(shù)據快速后處理實驗。經過效率分析和精度統(tǒng)計，證明其效率和取得的正射影像成果可以達到指導應急救災的需求。

關鍵詞：山區(qū) 應急 影像 后處理 測繪產品

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

1 引言

在災害發(fā)生后的應急響應中，航空攝影測量發(fā)揮著越來越重要的作用。但是貴州山區(qū)因氣流和天氣影響，飛行姿態(tài)難以穩(wěn)定，易存在航片傾角、旋偏角過大、像片重疊度變化大等問題，對相對定向中同名像點的匹配影響很大，甚至導致無法進行像點匹配的情況，并且在應急保障航空攝影中，受災地區(qū)難以進入布設像控點。這些都為應急響應中的航空影像數(shù)據后處理帶來難度。

本文利用在某次應急響應中獲取的航空影像進行了實驗，測試了基于PHOTOMOD軟件進行航空影像快速后處理方面的特性，解決像片拍攝姿態(tài)差導致的無法進行像點匹配的問題，以及使用POS數(shù)據輔助空三提高數(shù)據處理效率，實驗證明其精度和效率可以滿足應急響應的需求。

2 數(shù)據資料

選擇某個遭受洪澇災害的山區(qū)進行實驗，面積大約8.3平方公里。

2.1軟件介紹

PHOTOMOD系列軟件產品是俄羅斯Racurs公司的集航空攝影測量、無人機航測、傾斜攝影測量、近景攝影測量、衛(wèi)星影像遙感及衛(wèi)星雷達遙感等數(shù)據后處理于一體的綜合應用系統(tǒng)，也是全球率先支持分布式并行運算的高效全數(shù)字攝影測量及影像、雷達處理系統(tǒng)。相對于同類軟件具備算法先進、配置靈活、功能完備、操作便捷、生產高效、精度可靠、支持眾多傳感器等優(yōu)點。

2.2 資料分析

影像數(shù)據帶POS輔助設備，航攝儀為祿萊Rollei AICPROIQ180量測型相機，焦距51.386mm，像幅尺寸7760*10328，像元大小5.2μm，地面分辨率為0.15m。航向重疊范圍56%-70%，旁向重疊范圍20%-40%。影像清晰，反差適中，能滿足正射影像和航測成圖的需要。POS數(shù)據完整，可以用于空三加密。

航攝完成后，在測區(qū)內進行了外業(yè)量測像控點，采用區(qū)域網布點，但是由于測區(qū)受災嚴重，道路不通，有些地方無法到達測量像控點，導致布點不夠均勻，部分點量測精度不夠理想。

3 基于PHOTOMOD軟件的影像快速后處理關鍵技術

3. 1簡化處理步驟、提高生產效率

通過簡化影像預處理的步驟、自動高精度匹配算法、自動預測控制點、高效、精準的DTM匹配和平滑濾波、便捷修改鑲嵌線、測區(qū)內勻光勻色等關鍵技術，簡化了影像內業(yè)處理的步驟。并且PHOTOMOD軟件具備分布式并行運算能力和GPGPU技術，在數(shù)據導入、相對定向匹配、區(qū)域網平差計算、DEM提取及正射糾正、鑲嵌勻色等計算量大、耗時較長的步驟均支持分布式處理，劃分任務模塊，利用計算機多線程并行處理計算，從而實現(xiàn)高效率生產，最大化地應用計算機資源，對于大型、超大型測區(qū)處理尤其高效。

3.2 通過調整匹配參數(shù)提高空三精度

貴州山區(qū)氣流較大，飛行姿態(tài)較難穩(wěn)定，在應急響應中，由于天氣變化大、起降場地限制等原因飛行條件更為惡劣。獲取的航空影像易存在航片傾角、旋偏角過大、像片重疊度變化大等問題。像片的拍攝姿態(tài)差對相對定向中同名像點的匹配影響很大，甚至導致無法進行像點匹配的情況，可通過調整相對定向參數(shù)的方式，解決如下問題，改善匹配情況，提高空三質量。

3.2.1 解決影像畸變差大的匹配問題

當使用非量測型相機進行航空攝影時，由于相機鑒定的時間離拍攝影像的時間間隔較長等原因，用相機鑒定報告上的畸變參數(shù)進行改正時，可能并未完全消除相機畸變，從而導致匹配的相關性差或者存在上下視差的情況。在平差時，可執(zhí)行相機自檢校，如果測區(qū)有控制點的話，利用控制點進行相機的自檢校。經相機自生檢校后，生成新的相機參數(shù)（焦距、畸變差等），可從很大程度上恢復相片的初始狀態(tài)，大大提高后續(xù)處理的精度。

3.2.2 解決影像相關性差的匹配問題

因飛行條件不好，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等原因，獲取的航空影像易存在航片傾角、旋偏角過大、像片重疊度變化大等問題，導致相對定向匹配困難，可能有部分影像，航帶內和航帶間沒有匹配上點，我們可嘗試使用調整相對點數(shù)、相關性閾值和最大誤差等的方式，僅對這部分影像進行局部匹配。

3.2.3 解決重疊度變化大的匹配問題

不同于傳統(tǒng)攝影測量中大飛機航攝的規(guī)則航線，小飛機或無人機因風力原因飛機在航拍過程中左右搖擺，可能導致航帶內、航帶間重疊度變化較大，影響相對定向時在影像間搜索匹配同名點，可以通過改變搜索區(qū)域的大小來解決該問題。

3.3在應急情況下，POS數(shù)據輔助空三加密提高效率測試

POS系統(tǒng)是一種GPS和INS的組合系統(tǒng)，利用POS系統(tǒng)同時記錄的航攝儀三維坐標和姿態(tài)參數(shù)，經過后期處理計算出每張航片的外方位元素，并加入少量的外業(yè)控制點坐標進行空中三角測量的技術，在現(xiàn)階段折數(shù)字航空攝影測量中已經得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的空三加密方法相比，它在一定程度上簡化作業(yè)步驟，并可實現(xiàn)少量甚至無控制點的空三加密，提高了生產效率，節(jié)約了生產成本，尤其適用于外業(yè)困難地區(qū)以及道路、管線等帶狀領域。

在應急響應的應用中，影像數(shù)據的快速、高效處理至關重要，尤其是在災情未知的情況下，進入災區(qū)進行野外控制點測量既費時又存在安全隱患。因此，本文利用實驗測區(qū)數(shù)據，對在1：1萬地形圖上圖解測區(qū)四角的少量控制點以及無控制點兩種情況下使用POS數(shù)據輔助空中三角測量進行了測試，簡化作業(yè)步驟，減弱空中三角測量對地面實測控制點的依賴，直接通過POS數(shù)據中的GPS信息對相對定向匹配得到的自由網進行絕對定向，從而得到空三加密和正射影像等成果，并驗證其精度和效率。

4 實驗結果分析

4.1精度分析

1）空三加密精度

使用外業(yè)實測地面像控點進行光束法區(qū)域網平差，得到的控制點平均誤差為Exy=0.405，Ez=0.143；控制點最大誤差為Mxy=0.797，Mz=0.314。

采用圖解少量控制點POS輔助空三的方式，利用本測區(qū)獲取的30個野外像控點作為檢查點，對實驗中輸出的空三成果立體建模，并在立體模型上量測其三維坐標值，進行精度統(tǒng)計，通過檢查點精度結果，計算得到平面中誤差為±0.985，高程中誤差為±1.429。

2）正射影像精度

正射影像成果清晰易讀，色調均勻、反差及亮度適中、接邊處色彩過渡自然，地物合理接邊，無重影和發(fā)虛現(xiàn)象，人工地物接邊完整、合理。從正射影像上可清晰了解、判斷災情，與災前的衛(wèi)星影像進行對比分析有更加直觀的效果，可有效指導應急救災。

4.2 效率分析

經實驗過程統(tǒng)計，本實驗測區(qū)從影像預處理至空三加密、生成正射影像成果的整個過程，采用外業(yè)實測控制點、圖解少量控制點POS輔助空三和無控制POS輔助空三等3種實驗方法所用時間如下表1所示：

5 結論

通過對洪災應急響應航空影像進行數(shù)據后處理實驗，在PHOTOMOD軟件平臺上完成了整個流程的操作，并測試了通過調整相對定向參數(shù)解決相對定向匹配問題的方法，使得匹配精度得到很大改善，最后輸出了空三加密和正射影像成果。經實驗驗證，使用外業(yè)控制點處理的整個流程耗時約3小時，空三加密控制點平均誤差達到Exy=0.405，Ez=0.143，可以滿足1：2000測圖精度，正射影像清晰易讀，證明該技術流程可以滿足應急響應數(shù)據快速處理的精度和效率要求，可以作為災情分析、指導救災使用。

針對應急響應中來不及也無法進行野外實測控制點的情況，本文還對實驗測區(qū)進行了POS數(shù)據輔助空中三角測量的圖解少量控制點和無控制點兩種情況進行了測試，經實驗證明，因POS輔助空三減少了像控量測的工作量，簡化了作業(yè)流程，工作效率也得到了很大的提高，而且測區(qū)越大、像片數(shù)越多的情況下，在效率方面的提升會愈加明顯。在圖解少量控制點+POS輔助平差的情況下，取得了較好的平面量測精度，解決無實測控制點的情況下快速出圖指導應急救災的問題。

參考文獻

[1] CH/Z 3003-2010，低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范[S]

[2] CH/T 9008.2-2010，基礎地理信息數(shù)字成果 1：500、1：1000、1：2000 數(shù)字高程模型[S]

[3] 姜麗麗，高天虹，等.無人機影像處理技術在大比例尺基礎測繪工程中的應用研究[J]. 測繪與空間地理信息，2013，36（7）：174～176