無(wú)人機(jī)影像像控點(diǎn)自動(dòng)布設(shè)方案研究

董平

摘要： 無(wú)人機(jī)航空攝影是一種新型的低空遙感影像獲取方式，其中像控點(diǎn)布設(shè)是利用航測(cè)進(jìn)行數(shù)字測(cè)圖和制作正射影像圖（DOM）的重要環(huán)節(jié)，其布設(shè)效率將直接影響后續(xù)的工作進(jìn)度，而且像控點(diǎn)布設(shè)的網(wǎng)型也是影響最終測(cè)圖和DOM精度的重要因素。本文主要介紹了傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)影像像控點(diǎn)布設(shè)方式，分析了傳統(tǒng)布設(shè)方法存在的缺陷，并針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)布設(shè)像控點(diǎn)的缺陷，研究開(kāi)發(fā)一種全新的像控點(diǎn)自動(dòng)布設(shè)程序，省略了傳統(tǒng)布設(shè)方式所需的大部分人工操作，極大地提高了像控點(diǎn)布設(shè)的工作效率。

Abstract： UAV aerial photography is a new kind of low altitude remote sensing image acquisition method. The layout of photo control points is an important part in digital mapping and doing orthophoto map（DOM） which uses aerial survey. Its layout efficiency will directly affect the subsequent work schedule. And the net type of control point layout is also an important factor affecting the final mapping and DOM accuracy. This paper introduces the layout method of traditional UAV image control point， analyzes the defects of traditional layout methods and develops a new image control point automatic placement program for the defects of traditional manually setting image control points. This method omits most manual operation required and greatly improves the image control point layout efficiency.

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī)；影像；像控點(diǎn)；布設(shè)；POS數(shù)據(jù)

Key words： UAV；image；control points；layout；POS data

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）04-0183-03

0 引言

無(wú)人機(jī)航測(cè)作為一種新型的低空遙感影像獲取技術(shù)，是衛(wèi)星遙感和航空攝影的有力補(bǔ)充[1-2]。無(wú)人機(jī)航攝以成本低、高清晰、小面積、高精度、高現(xiàn)勢(shì)性、高效率、起飛降落受場(chǎng)地限制較小、整個(gè)飛行過(guò)程中可實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)及產(chǎn)品成果豐富等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種有效的快速測(cè)繪手段，獲得越來(lái)越多的認(rèn)可，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用[3]。

像控點(diǎn)的布設(shè)是后期數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)和前提，它在過(guò)程中扮演著非常重要的角色，其效率將直接影響后續(xù)的工作進(jìn)度。傳統(tǒng)像控點(diǎn)的布設(shè)通常需要兩名作業(yè)人員進(jìn)行配合完成，其中一人在Google earth上布點(diǎn)，另外一人則需要在航空影像上勾勒出刺點(diǎn)范圍，這種布設(shè)方式存在很多的重復(fù)性工作，并且工作效率較低。本文在總結(jié)傳統(tǒng)布設(shè)方式的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)布設(shè)方式存在的缺陷，研究開(kāi)發(fā)了一種全新的自動(dòng)布設(shè)程序，程序能夠根據(jù)初始的POS數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)網(wǎng)型自動(dòng)獲得像控點(diǎn)分布圖，然后程序可依據(jù)航空攝影測(cè)量的成像模型獲得像控點(diǎn)刺點(diǎn)范圍圖。

1 試驗(yàn)區(qū)域及航攝資料

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有資料的分析，選定云南省通?？h的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，該縣航片資料采用DB-2型無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)平臺(tái)，搭載尼康D800、D810數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行作業(yè)，拍攝時(shí)間段為2015年9月～10月，共飛行27個(gè)架次，獲取影像53289張，航飛面積約863km2，無(wú)人機(jī)航攝影像地面分辨率優(yōu)于0.2m。

2 傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)是直接為攝影測(cè)量的控制點(diǎn)加密或測(cè)圖需要而布設(shè)并在實(shí)地進(jìn)行測(cè)定的控制點(diǎn)，像控點(diǎn)包括僅具有平面坐標(biāo)的平面點(diǎn)和僅具有高程坐標(biāo)的高程點(diǎn)及同時(shí)具有平面與高程坐標(biāo)的平高點(diǎn)，所有這些控制點(diǎn)統(tǒng)稱為“像控點(diǎn)”[4-7]。像控點(diǎn)布設(shè)是根據(jù)設(shè)計(jì)網(wǎng)型（航向基線間隔、旁向基線間隔）在成圖范圍內(nèi)布設(shè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)的布設(shè)需遵照均勻性原則，并根據(jù)不同比例尺、地形條件、處理方法等的要求，將像控點(diǎn)按不同的密度布設(shè)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)。另外，布點(diǎn)人員除了考慮像控點(diǎn)均勻性之外，還需考慮測(cè)區(qū)的交通及地物特征情況。

傳統(tǒng)像控點(diǎn)的布設(shè)通常是在Google earth上進(jìn)行的。首先將像片曝光位置數(shù)據(jù)（初始POS數(shù)據(jù)）導(dǎo)入Google earth上作為參照，其中一名內(nèi)業(yè)人員根據(jù)布點(diǎn)密度要求，在兼顧交通及地物特征的情況下，將像控點(diǎn)布設(shè)在Google earth上，最終得到KMZ格式的像控點(diǎn)分布圖，外業(yè)數(shù)據(jù)采集人員可以通過(guò)像控點(diǎn)分布圖大致了解像控點(diǎn)的分布情況，并根據(jù)像控點(diǎn)的分布情況進(jìn)行路線規(guī)劃。另外，由于Google earth影像的清晰度不夠，無(wú)法當(dāng)作參考影像標(biāo)注具體刺點(diǎn)位置，因此，在Google earth上布點(diǎn)的同時(shí)，還需要另一名內(nèi)業(yè)人員挑選出對(duì)應(yīng)的航空影像，并根據(jù)像控點(diǎn)在Google earth上的位置找到影像的匹配位置，并在影像上勾勒出刺點(diǎn)范圍，外業(yè)數(shù)據(jù)采集的作業(yè)人員可以根據(jù)刺點(diǎn)范圍和地物特征選擇目標(biāo)清晰、大小適中的特征位置采集控制點(diǎn)坐標(biāo)。

傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)主要采用純手工的操作方式，依靠?jī)蓚€(gè)內(nèi)業(yè)作業(yè)員配合完成，這種方法存在很多的重復(fù)性工作，工作效率比較低。另外，由于Google earth影像本身不夠清晰、部分區(qū)域現(xiàn)勢(shì)性不強(qiáng)，加之兩者影像朝向不同，這些因素使得在匹配刺點(diǎn)范圍時(shí)需要花費(fèi)較多的時(shí)間。

3 像控點(diǎn)自動(dòng)布設(shè)

3.1 設(shè)計(jì)思路

在Visual Studio2010的平臺(tái)上，運(yùn)用C++語(yǔ)言綜合各種像控點(diǎn)布設(shè)方案開(kāi)發(fā)一種全新的像控點(diǎn)自動(dòng)布設(shè)程序，程序能夠針對(duì)不同分辨率的影像適當(dāng)調(diào)整布點(diǎn)方案，從而滿足不同比例尺的制圖需求。設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.2.1 影像畸變差改正

無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)通常都存在著畸變[8]，影像的畸變除了表現(xiàn)為像主點(diǎn)存在偏移之外，還存在著對(duì)稱和非對(duì)稱畸變兩種變形，因此，影像在利用軟件進(jìn)行后處理前需要根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)（像主點(diǎn)坐標(biāo)X0、Y0；對(duì)稱畸變參數(shù)K1、K2、K3；非對(duì)稱畸變參數(shù)P1、P2）對(duì)原始影像進(jìn)行畸變差校正。

3.2.2 工程建立及影像相對(duì)位置關(guān)系的確定

在Inpho軟件中首先利用畸變糾正后的影像建立金字塔影像，然后根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)建立工程，軟件會(huì)根據(jù)初始POS數(shù)據(jù)建立航帶影像縮略圖，并自動(dòng)生成航帶。最后，選擇任意一條航帶，將航帶上的影像按照ID號(hào)從小到大依次激活，看相鄰兩張影像的排列是否合理，若排列不合理，需要重新設(shè)置相機(jī)直到影像的排列正確為止。

3.2.3 自由網(wǎng)平差

在沒(méi)有人工添加同名點(diǎn)的情況下，利用軟件自動(dòng)匹配像片之間的同名點(diǎn)，生成大量連接點(diǎn)的過(guò)程。自由網(wǎng)平差后能夠進(jìn)一步確定像片的相對(duì)位置關(guān)系，得到較為準(zhǔn)確的外方位元素，并能從中間成果aat.log文件中提取改正后的POS數(shù)據(jù)。

3.3 根據(jù)網(wǎng)型自動(dòng)布點(diǎn)

首先，根據(jù)初始POS數(shù)據(jù)計(jì)算曝光點(diǎn)之間的間距以及相鄰兩點(diǎn)之間的方位角，依次判斷相鄰兩點(diǎn)之間的方位角，結(jié)合設(shè)定的航帶角度容差自動(dòng)生成航帶并計(jì)算測(cè)區(qū)面積。其次，綜合考慮相關(guān)制圖規(guī)范、制圖的比例尺、用途等因素，確定像控點(diǎn)布設(shè)的密度，根據(jù)布設(shè)密度及間隔航帶數(shù)N可確定相鄰像控點(diǎn)間間隔的基線數(shù)。最后，根據(jù)確定的間隔的基線數(shù)及間隔航帶數(shù)N可在航帶間以交錯(cuò)的方式進(jìn)行布網(wǎng)。如圖2所示，其中黑點(diǎn)表示相機(jī)曝光點(diǎn)位置，黃色為像控點(diǎn)分布位置。

另外，程序在自動(dòng)布點(diǎn)時(shí)只考慮了網(wǎng)型要求，并未考慮到刺點(diǎn)位置的交通以及地物特征的情況，其中部分像控點(diǎn)的分布位置未必適合。因此，需要借助Google earth平臺(tái)對(duì)程序已經(jīng)布設(shè)好的像控點(diǎn)進(jìn)行人工干預(yù)，對(duì)部分像控點(diǎn)的位置進(jìn)行略微的調(diào)整。

3.4 自動(dòng)匹配刺點(diǎn)范圍

3.4.1 匹配原理

在匹配刺點(diǎn)范圍的過(guò)程中，最關(guān)鍵就是要建立像方和物方空間坐標(biāo)系之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于航空影像是地物的中心投影，在影像獲取瞬間攝影中心、像點(diǎn)、對(duì)應(yīng)物點(diǎn)位于同一直線上，即滿足共線條件，因此，像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)之間的空間映射關(guān)系可通過(guò)共線條件構(gòu)建[9-10]。

選取像空間坐標(biāo)系為S-xyz，像空間輔助坐標(biāo)系為S-uvw，地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系為D-XYZ，并使S-uvw和D-XYZ兩種坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸彼此平行。若設(shè)攝影中心與地面點(diǎn)A在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為XS、YS、ZS和X、Y、Z，像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系與像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為x、y、-f和u、v、w。

3.4.2 匹配流程

將已經(jīng)布設(shè)好的像控點(diǎn)文件導(dǎo)入程序，并同時(shí)導(dǎo)入自由網(wǎng)平差后的像片外方位元素文件（改正后的POS數(shù)據(jù)），根據(jù)匹配原理中的（5）公式可以自動(dòng)反算出其在各張影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)，然后挑選像點(diǎn)位置最為靠近像片中心的像片作為刺點(diǎn)影像，并以對(duì)應(yīng)像點(diǎn)為中心根據(jù)預(yù)先設(shè)定的半徑大小自動(dòng)勾勒出刺點(diǎn)范圍。勾勒出刺點(diǎn)范圍后，程序會(huì)自動(dòng)對(duì)像片進(jìn)行標(biāo)注，并將像片重命名后保存到指定文件夾下。圖4為一個(gè)像控點(diǎn)的匹配結(jié)果圖。

4 結(jié)果分析

在精度方面，根據(jù)匹配原理可知，像控點(diǎn)位置反算像點(diǎn)坐標(biāo)的精度主要取決于像控點(diǎn)物點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z的準(zhǔn)確度以及像片外方位元素XS、YS、ZS、ω、ψ、κ的精度。外方位元素XS、YS、ZS、ω、ψ、κ可以借助Inpho軟件經(jīng)過(guò)自由網(wǎng)平差后獲得更為準(zhǔn)確的外方位元素，然而自由網(wǎng)平差也是后期空中三角測(cè)量的必要步驟，采用此種方式只是改變了傳統(tǒng)的作業(yè)流程，并未增加其工作量。物點(diǎn)坐標(biāo)X、Y是經(jīng)人工干預(yù)后獲得的準(zhǔn)確值，而物點(diǎn)的Z坐標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確獲取，本文是采用測(cè)區(qū)的平均高程作為物點(diǎn)的Z坐標(biāo)，由于Z坐標(biāo)不準(zhǔn)確帶來(lái)的誤差主要取決航飛高度H以及像點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離r，航飛高度越高，像點(diǎn)到像主點(diǎn)距離r就越小，匹配誤差越小，反之則越大。因此，程序會(huì)挑選那些像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)位置更為靠近中心的像片作為刺點(diǎn)像片，以減小匹配的誤差。

在工作效率方面，像控點(diǎn)自動(dòng)布設(shè)程序省去了傳統(tǒng)方法中大部分的手工操作步驟，該程序主要的手工操作僅僅是自動(dòng)生成像控分布文件之后，依據(jù)交通便利、地物清晰的原則對(duì)部分像控點(diǎn)進(jìn)行略微調(diào)整。在自動(dòng)匹配刺點(diǎn)范圍圖時(shí)，程序采用多線程并行的模式處理影像，大大提高了影像的處理效率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，相比傳統(tǒng)的手工布設(shè)方法，本文所采取的方法將布設(shè)效率提高了5-10倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)影像像控點(diǎn)的自動(dòng)布設(shè)能夠極大地提高像控布設(shè)效率，并且利用該種方法獲取的像控分布圖（KMZ文件）及航空影像刺點(diǎn)范圍圖能夠滿足外業(yè)刺點(diǎn)精度要求，大大減少了內(nèi)業(yè)工作量和生產(chǎn)成本，有利于提高無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的整體效率。

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