基于天寶UASMaster正射影像圖制作

王紅偉，肖躍軍，高偉，戴龍，楊志軍

（咸寧市勘察測繪院，湖北咸寧 437000）

基于天寶UASMaster正射影像圖制作

王紅偉*，肖躍軍，高偉，戴龍，楊志軍

（咸寧市勘察測繪院，湖北咸寧 437000）

介紹了UASMaster正射影像圖制作流程，對流程中關(guān)鍵的步驟原理進(jìn)行了簡要分析，并對實(shí)際生產(chǎn)過程中可能存在的問題進(jìn)行了探討，最后結(jié)合具體工程項(xiàng)目，對成果的精度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：UASMaster可滿足大比例尺正射影像圖制作的精度要求。

UASMaster；空中三角測量；正射影像圖

1　引 言

無人機(jī)航空攝影測量是綜合利用無人飛行器技術(shù)、GPS定位技術(shù)、攝影測量技術(shù)的現(xiàn)代測繪應(yīng)用技術(shù)，具有機(jī)動靈活、快速高效、作業(yè)成本低、作業(yè)范圍廣等特點(diǎn)，在獲取小范圍高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)測繪、應(yīng)急救災(zāi)、智慧城市與新農(nóng)村建設(shè)等方面［1］。

無人機(jī)航空攝影測量方法相對于傳統(tǒng)航空攝影測量方法存在著較大的差異，無人機(jī)多采用非量測型數(shù)碼相機(jī)，存在像幅較小、像片較多、基線短、重疊度不均勻、傾角過大等問題［2，3］。采用常規(guī)的數(shù)字?jǐn)z影測量方法很難達(dá)到相應(yīng)的精度要求，并且處理困難。UASMaster是專門的無人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理軟件，具有高效快速等特點(diǎn)。

2　UASMaster軟件簡介

UASMaster是天寶公司基于INPHO推出的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，并專門針對無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了算法改進(jìn)。軟件最多可處理2 000張像片，最高可處理達(dá)4 000萬像素級的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，軟件支持市場各種主流無人機(jī)系統(tǒng)，包括固定翼、旋翼和無人飛艇等，甚至可以處理熱氣球航測數(shù)據(jù)［4］。

UASMaster提供了一個(gè)擁有質(zhì)量分析與質(zhì)量控制的批處理過程，可自動實(shí)現(xiàn)空中三角測量、點(diǎn)云與正射影像生成的全自動化處理，精度穩(wěn)定可靠。軟件中提供各種各樣的編輯工具來獲取可能的最佳結(jié)果，特別是在DEM、DOM等制作方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢［5］。

3　UASMaster正射影像制作

UASMaster正射影像制作主要分為三個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要為工程管理編輯模塊、空中三角測量模塊以及點(diǎn)云編輯與輸出模塊。首先將外業(yè)航飛所得的像片、pos數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工程中，設(shè)置相應(yīng)的相機(jī)參數(shù)與坐標(biāo)系等信息，并自動生成相應(yīng)的航帶信息；在空中三角測量模塊中進(jìn)行連接點(diǎn)提取，控制點(diǎn)量測、相機(jī)的檢校與平差等過程；最后利用點(diǎn)云編輯模塊對點(diǎn)云進(jìn)行編輯與輸出。具體的流程圖如圖1所示。

圖1　空中三角測量流程

3.1空中三角測量

空中三角測量是正射影像制作的關(guān)鍵，將直接影響成果精度的高低。UASMaster空中三角測量的主要過程為連接點(diǎn)提取，控制點(diǎn)量測與相機(jī)檢校與平差。

連接點(diǎn)提取是一個(gè)基于特征點(diǎn)的最小二乘匹配過程，UASMaster 6.1中提供了三種方法，即全分辨率（Full Resolution），半分辨率（Half Resolution）與低分辨率（Low Resolution）。其中，全分辨率是在像素尺寸進(jìn)行連接點(diǎn)的提取，并進(jìn)行粗差探測與平差等過程；半分辨率是在兩倍像素尺寸進(jìn)行連接點(diǎn)提取，而低分辨率則是在四倍像素尺寸進(jìn)行，后續(xù)的過程與全分辨率相同［6］。為了確定各方法的實(shí)用性，隨機(jī)選取了三組數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，其中相機(jī)像素尺寸為3.92 μm，匹配時(shí)間與匹配點(diǎn)數(shù)如表1所示［4］。

匹配時(shí)間與點(diǎn)數(shù)對比　表1

從表1中可以看出，隨著匹配格網(wǎng)尺寸的增大，匹配時(shí)間成倍下降，全分辨率的匹配時(shí)間最長，低分辨率的匹配時(shí)間最短，具體與像素尺寸、地面分辨率等因素有關(guān)。利用以上成果進(jìn)行正射影像制作，結(jié)果表明全分辨率與半分辨率成圖精度相當(dāng)，可以滿足常規(guī)1∶1 000、1∶2 000測圖與DOM精度要求；低分辨率成圖精度較低，適合進(jìn)行快拼處理過程。但是在相機(jī)像素尺寸大于4 μm時(shí)，全分辨率在成圖精度上有較大的提高。

UASMaster中像控點(diǎn)量測是基于平面進(jìn)行刺點(diǎn)，平面刺點(diǎn)降低了立體刺點(diǎn)的各種要求，但是平面刺點(diǎn)也將會對高程造成較大的影響，因此在像控點(diǎn)布設(shè)過程中不要將像控點(diǎn)布設(shè)在高程起伏較大的點(diǎn)位，如陡坎轉(zhuǎn)折點(diǎn)、房角等。軟件中提供三種刺點(diǎn)方法，即手動（Manual），半自動（Semi-automatic）與全自動（Fullautomatic）。自動模式基于金字塔分解的最小二乘進(jìn)行匹配，總體匹配效果不佳。試驗(yàn)表明，在特征較為明顯的點(diǎn)位時(shí)，第一個(gè)點(diǎn)量測可以采用全自動或是半自動模式，然后采用手動模式進(jìn)行調(diào)整，可以得到較好的效果，地面控制點(diǎn)量測后效果圖如圖2所示。

圖2　地面控制點(diǎn)量測效果圖

相機(jī)檢校與平差也提供了三種方法，即Extensive，F(xiàn)irst Approximate與Refine方法，F(xiàn)irst Approxmate方法屬于相機(jī)檢校過程，可以得到相機(jī)的初始畸變模型，沒有內(nèi)置相機(jī)參數(shù)的相機(jī)必須首先進(jìn)行該步驟；Extensive方法是針對進(jìn)行過校正的相機(jī)進(jìn)行的；而Refine則是Extensive后，針對添加的控制點(diǎn)進(jìn)行相機(jī)檢校。平差完成后，可以查看空中三角測量精度信息。

針對空中三角測量成果的精度信息，對空中三角測量成果進(jìn)行分析，如果不滿足相應(yīng)的精度要求，可重新對連接點(diǎn)和地面控制點(diǎn)進(jìn)行檢查，針對誤差較大的點(diǎn)位進(jìn)行編輯，重新量測，在不影響加密成果精度的前提下，可以刪除某些點(diǎn)，再進(jìn)行空中三角測量過程，直至成果滿足相應(yīng)的精度要求。

3.2點(diǎn)云編輯

空中三角測量完成后，由加密的成果自動生成DTM，軟件中提供了多種生成DTM的方法，以平滑（Smooth）方法最佳，生成點(diǎn)云時(shí)間較短，變形較小，并且可以滿足后續(xù)正射影像的精度要求［7］。點(diǎn)云的編輯主要是針對航片的局部變形造成生成的正射影像與實(shí)際不符，常見的有線狀物錯(cuò)位、變形等，直接生成正射影像如圖3與圖4中第一張圖所示。

軟件中提供了補(bǔ)丁工具，可以針對局部點(diǎn)云進(jìn)行編輯，在選定的范圍內(nèi)，進(jìn)行連接點(diǎn)手動量測（圖3），或者對變形的點(diǎn)云測量斷線與壓低點(diǎn)云等方法（圖4），在補(bǔ)丁范圍重新生成點(diǎn)云，可以很好地糾正點(diǎn)云中的變形；針對由點(diǎn)云生成正射影像中側(cè)面遮蔽過于嚴(yán)重的，可以刪除部分有關(guān)可見側(cè)面紋理像片，降低側(cè)面紋理在點(diǎn)云生成過程中的權(quán)重，再進(jìn)行有關(guān)點(diǎn)云的生成，可以較好的糾正點(diǎn)云中的遮蔽問題。

圖3　錯(cuò)位點(diǎn)云編輯前后生成正射影像對比圖

圖4　變形點(diǎn)云編輯前后生成正射影像對比圖

3.3輸出正射影像

點(diǎn)云編輯完成后即輸出DOM，軟件可自動進(jìn)行正射影像的勻光勻色，如果在生成DOM后，正射影像勻光勻色處理、相鄰圖幅接邊處理還不是很理想的，可以針對相應(yīng)的像片在Photoshop中進(jìn)行色彩與光照處理，保證DOM影像清晰，片與片之間影像盡量保持色調(diào)均勻、反差適中，圖面要有良好的視覺效果，不得有圖像處理留下的缺陷，接邊重疊帶不允許出現(xiàn)明顯的模糊或是重影［8，9］。

4　實(shí)例分析

為了更好地驗(yàn)證UASMaster成圖精度與效果，采用某城鎮(zhèn)規(guī)劃設(shè)計(jì)航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。測區(qū)范圍約為4 km2，地勢起伏100 m左右，屬丘陵地帶，航測飛機(jī)為天寶UX5，相機(jī)像素2 400萬，像素尺寸為3.92 μm，測圖比例尺為1∶2 000，航攝像片航向重疊度為68%～75%，旁向重疊度達(dá)到65%～70%，飛行高度350 m，軟件版本為UASMaster 6.1。為了更好地進(jìn)行像控點(diǎn)量測，在數(shù)據(jù)處理前，首先利用本地七參數(shù)將pos數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，轉(zhuǎn)換后的pos數(shù)據(jù)將會與像控點(diǎn)更加吻合，點(diǎn)位偏差2 m左右，可以大大節(jié)省控制點(diǎn)量測時(shí)間。采用半分辨率進(jìn)行連接點(diǎn)提取以及編輯可以得到連接點(diǎn)如圖5所示。

圖5　連接點(diǎn)分布圖

圖中連接點(diǎn)經(jīng)編輯后總共35 419個(gè)，城鎮(zhèn)規(guī)劃設(shè)計(jì)邊緣地帶存在著較大面積的山體、農(nóng)田、水域等弱紋理區(qū)域，UASMaster具有很好的連接點(diǎn)匹配效果，可大量減少點(diǎn)云編輯處理，且點(diǎn)位分布較為均勻。經(jīng)過相機(jī)自檢校與平差過程，得到有關(guān)空中三角測量精度信息如表2所示。

空中三角測量中誤差　表2

從表中可以看出，實(shí)例空中三角測量成果單位權(quán)中誤差為1.92 μ，小于實(shí)際像素尺寸1/2；定位點(diǎn)的平面與高程中誤差分別為0.087 m與 0.061 m，遠(yuǎn)小于低空航空攝影測量規(guī)范規(guī)定精度要求，另外，定向點(diǎn)平面與高程中誤差最大值均小于相應(yīng)方向3倍中誤差，該空中三角測量成果可用。為了更好地檢驗(yàn)正射影像圖的精度，在生成的DEM點(diǎn)云進(jìn)行特征點(diǎn)量測，并采用CORS系統(tǒng)實(shí)地對量測的特征點(diǎn)進(jìn)行采集，兩者相比較，得到的差值如表3所示。

表3可以看出，地物檢查點(diǎn)平面精度均小于1.2 m，滿足1∶2 000正射影像圖精度要求。利用上述空中三角測量成果生成DTM，并進(jìn)行點(diǎn)云編輯，點(diǎn)云編輯在立體模式下可將影像、DTM和等高線等進(jìn)行疊加編輯，實(shí)時(shí)顯示編輯結(jié)果，可針對城鎮(zhèn)規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要展現(xiàn)的要素重點(diǎn)處理。糾正點(diǎn)云中的變形，輸出正射影像圖如圖6所示。

檢查點(diǎn)實(shí)測值與點(diǎn)云量測值差值　表3

圖6　正射影像圖

5　結(jié) 語

采用UASMaster進(jìn)行正射影像圖制作，相對于傳統(tǒng)軟件，自動化程度高、成果精度穩(wěn)定可靠，可滿足大比例尺正射影像圖制作要求。另外，UASMaster具有較強(qiáng)的影像匹配能力，對弱紋理與稀少控制點(diǎn)區(qū)域仍可以得到精度可靠的正射影像圖。隨著差分無人機(jī)技術(shù)的興起，UASMaster正射影像圖的制作將會更加高效便捷，將會對智慧城市建設(shè)，應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

［1］薛阿亮，胡海洋.無人機(jī)航測技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用型研究及分析［J］.礦山測量，2014（5）：22～24.

［2］許彤麗.利用MapMatrix制作雞西市城市正射影像圖［J］.測繪與空間地理信息，2007（3）：198～199.

［3］劉淑慧.無人機(jī)正射影像圖的制作［D］.南昌：東華理工大學(xué)，2013.

［4］Trimble Germany，Tutorial UASMaster（English）［M］.Trimble Germany，2013.

［5］張利劍.淺談?wù)溆跋駡D的制作［J］.測繪與空間地理信息，2012（4）：193～194.

［6］Gülch E.Photogrammetric measurements in fixed wing UAV imagery［J］.ISPRS-International Archives of the Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2012，XXXIX-B1：381～386.

［7］Wierzbicki D.，Kedzierski M.，F(xiàn)ryskowska A.Assesment of the Influence of Uav Image Quality on the Orthophoto Production［J］.ISPRS-International Archives of the Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2015，XL-1/W4：1～8.

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［9］陳姣.無人機(jī)航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖應(yīng)用研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

Orthophoto Map Generation Based on Trimble UASMaster

Wang Hongwei，Xiao Yuejun，Gao Wei，Dai Long，Yang Zhijun
（Xianning Institute of Investigation and Surveying，Xianning 437000，China）

This paper introduces the process of UASMaster orthophoto map generation，analyzes the principle of the key steps in the process，and discusses the possible problems in the actual production process，finally，the precision of the results is analyzed，combining with the specific project.The results show that:UASMaster can meet the accuracy requirements of large scale orthophoto map generation.

UASMaster；aerial triangulation；orthophoto map

1672-8262（2016）04-83-04

P231

B

2016—03—06

王紅偉（1986—），男，工程師，主要從事數(shù)字城市建設(shè)與無人機(jī)航測方面的工作。