采用無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行大比例尺測圖研究

曹春明

摘 要：無人機(jī)操作簡單，具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，體積小而不需要申請空域，在云層下就可以實(shí)施航拍，風(fēng)險(xiǎn)性較小且拍攝分辨率高，被廣泛應(yīng)用城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理等領(lǐng)域的大比例尺地圖的測圖之中。但由于無人機(jī)相較于大飛機(jī)而言在飛行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)精確性上有很大差別，同時(shí)容易出現(xiàn)影像畸變，要進(jìn)行正確的影像鑲嵌。該文主要介紹了無人機(jī)航空影像處理技術(shù)流程和關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括影像畸變糾正、控制點(diǎn)布控、影像鑲嵌和海量影像數(shù)據(jù)處理。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 航拍技術(shù) 大比例尺 測圖 影像畸變糾正

中圖分類號：TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（b）-0021-02

城市發(fā)展越來越智能化，城市的管理也更加趨向于精細(xì)化。城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市的交通和管理等領(lǐng)域都需要大比例尺地圖來支持。而傳統(tǒng)航空攝影容易受到天氣的限制，對于攝影時(shí)的環(huán)境要求較高，相對的成本投入大而手續(xù)繁雜，需要較長時(shí)間的航攝周期，在日益快速的城市發(fā)展過程中不能很好滿足對高精度影像數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)性的需求。無人航空攝影技術(shù)逐漸顯示了在大比例尺測圖中的優(yōu)勢，無人航空攝影技術(shù)的發(fā)展建立于無人機(jī)的成熟之上。

1 無人機(jī)航空影像處理技術(shù)流程

無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行大比例尺測圖主要是通過航空攝影后進(jìn)行影像畸變糾正，從而提高影像的精度和效率。此后選擇合適的航帶進(jìn)行影像金字塔的創(chuàng)建，并建立過程、相機(jī)和航帶。同時(shí)應(yīng)當(dāng)從相對定向和絕對定向兩方面進(jìn)行影像的匹。此后在SSK軟件中利用ISAT模塊進(jìn)行連接點(diǎn)的提取，并進(jìn)行空三計(jì)算和分析。在進(jìn)行檢查修改之后就利用x軸和y軸進(jìn)行正射校正處理，并利用數(shù)學(xué)高程模型在z軸上進(jìn)行高程數(shù)據(jù)糾正。數(shù)據(jù)糾正完就可以進(jìn)行影像的拼接，在拼接時(shí)需要修改鑲嵌線，并將其隱藏。在進(jìn)行圖像裝飾之后就可以將航拍攝影圖輸出。

2 無人機(jī)航拍關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無人機(jī)影像畸變糾正技術(shù)

無人機(jī)在實(shí)際航空攝影測量中由于自重小易受風(fēng)向影響，因而飛行較不穩(wěn)定。此外在無人機(jī)上所搭載的相機(jī)并不是專業(yè)的測量相機(jī)，因而其影響數(shù)據(jù)與定位定向系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)較大飛機(jī)而言較為模糊。在無人機(jī)航拍測量過程中不可避免存在著傾斜誤差和投影誤差，這都是受到搭載相機(jī)和地形影響而成的。相片的切斜造成像點(diǎn)的移位，從而造成傾斜誤差。而地形起伏造成的像點(diǎn)移位，需要通過地面控制點(diǎn)數(shù)量的增加、糾正無人機(jī)影像畸變和提高影像鑲嵌技術(shù)以及小像幅大數(shù)據(jù)兩的數(shù)據(jù)處理。

2.2 光學(xué)成像畸變矯正技術(shù)

鏡頭設(shè)計(jì)的缺陷、制造過程中操作不當(dāng)引起的缺陷以及加工安裝過程中造成的誤差容易造成薄棱鏡畸變。此外若是CCD鏡頭形狀有缺陷就會(huì)造成徑向畸變，會(huì)造成較大的畸變誤差。相較于薄棱鏡畸變和由于幾何中心不一致而導(dǎo)致的偏心畸變而言，徑向畸變對于影像畸變的影響更大，會(huì)嚴(yán)重影響空三精度。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，不難發(fā)現(xiàn)鏡頭徑向畸變較大，切向畸變較小。在圖像中心區(qū)域內(nèi)發(fā)生畸變的可能較小，而在圖像的邊緣區(qū)域內(nèi)畸變較大。因此在實(shí)際使用無人機(jī)進(jìn)行航空攝影時(shí)需要考慮到光學(xué)成像造成畸變的可能，并將其進(jìn)行正確的矯正，避免出現(xiàn)較大的畸變。

2.3 均勻布點(diǎn)

無人機(jī)受風(fēng)力的影響較大，飛行時(shí)不能保持未定，在飛行過程中所取得的POS數(shù)據(jù)精度不夠高，這就需要通過增加地面控制點(diǎn)的數(shù)量來提高測區(qū)的成圖精度。在進(jìn)行無人機(jī)航拍時(shí)需要確保測量人員的人為誤差較小，測量的溫度適宜無人機(jī)的飛行，大氣壓環(huán)境也較為適合，這樣才能通過已知的地面控制點(diǎn)采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)（real time kine-matic，RTK）來進(jìn)行控制點(diǎn)的加密工作。同時(shí)由于無人機(jī)飛行航帶航向重疊高達(dá)80%，旁向重疊達(dá)到60%，其航帶設(shè)置的要求遠(yuǎn)高于大飛機(jī)航拍測量的要求，因而在設(shè)計(jì)飛行航帶時(shí)在依據(jù)小比例尺地圖的基礎(chǔ)上要將地面控制點(diǎn)符號制作精確，同時(shí)在布設(shè)時(shí)要均勻進(jìn)行地面控制點(diǎn)的布設(shè)。相控點(diǎn)的布設(shè)必須均勻排數(shù)，在航向三片重疊和旁向重疊的中線可以在重疊范圍內(nèi)布設(shè)。在無特征的大面積區(qū)域內(nèi)可以增加控制點(diǎn)，必須確保測區(qū)四周均勻布設(shè)，當(dāng)出現(xiàn)誤差較大的控制點(diǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)剔除。

2.4 影像鑲嵌技術(shù)

無人機(jī)所搭載的相機(jī)并非專業(yè)的測量相機(jī)，無人機(jī)也無法達(dá)到較高的飛行高度，因而在投影時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，影像與共線方程有出入。當(dāng)無人機(jī)對地表高層建筑物進(jìn)行航拍時(shí)不能真正射改正，尤其是邊緣位置出現(xiàn)的影像誤差更大，因而在使用無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行大比例尺測圖時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行影像鑲嵌，從正射糾正后的影像中提取相應(yīng)的影像信息。但是在大比例尺測圖成像時(shí)要避免出現(xiàn)明顯的影像間接縫，在自動(dòng)生成之后再進(jìn)行人工交互修改，從而確保鑲嵌線太過暴露。同時(shí)，鑲嵌線的選擇和修改都應(yīng)當(dāng)采用線性特征的接邊物，避免直接穿過大型建筑物、水區(qū)、沙漠、戈壁和森林等大面積范圍，同時(shí)不應(yīng)當(dāng)將鑲嵌線放置于影像的邊緣，應(yīng)當(dāng)沿著道路或地面等實(shí)體的邊緣進(jìn)行鑲嵌。當(dāng)鑲嵌結(jié)束后應(yīng)當(dāng)張整個(gè)測區(qū)的拼接線集合成一套數(shù)據(jù)，以便之后的編輯修改。由于受到各類環(huán)境的影響，影像間會(huì)有一定的色差，這就需要進(jìn)行勻光勻色處理，必要時(shí)還需進(jìn)行羽化處理，從而使影像的拼接自然過渡。

2.5 臨界航帶重復(fù)處理

無人機(jī)在進(jìn)行航空攝影測量時(shí)會(huì)因?yàn)檩^高的重疊度而造成影響信息較大，加大了影像處理工作的難度。在影像自動(dòng)空三階段需要將所有影像信息都進(jìn)行處理，按照分航帶分塊的方法提取DEM和正射糾正。對于臨界航帶要進(jìn)行重復(fù)處理。為了確保影像的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)將影像鑲嵌工作在同一工程中處理。當(dāng)區(qū)域較大時(shí)，可以人為分塊具有一定重疊度的影像再進(jìn)行鑲嵌。當(dāng)鑲嵌工作完成后就可以進(jìn)行輸出。但由于相機(jī)像素較高，分辨率也高，因而最后的文件數(shù)據(jù)也大。然而鑲嵌軟件的性能決定了輸出的文件不能大于4 GB影響，因而當(dāng)進(jìn)行輸出時(shí)要進(jìn)行必要的分塊再進(jìn)行輸出。

3 結(jié)語

隨著中國改革開放的逐步深入，經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅猛發(fā)展，各地區(qū)的地貌發(fā)生巨大變遷?，F(xiàn)有的航空遙感技術(shù)手段已無法適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要新的遙感技術(shù)為日益發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和文化事業(yè)服務(wù)。以無人駕駛飛機(jī)為空中遙感平臺(tái)的技術(shù)，正是適應(yīng)這一需要而發(fā)展起來的一項(xiàng)新型應(yīng)用性技術(shù)。使用無人機(jī)進(jìn)行小區(qū)域遙感航拍技術(shù)，在實(shí)踐中取得了明顯成效和經(jīng)驗(yàn)。以無人機(jī)為空中遙感平臺(tái)的微型航空遙感技術(shù)，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)和文化建設(shè)發(fā)展的需求，為中小城市特別是城、鎮(zhèn)、縣、鄉(xiāng)等地區(qū)經(jīng)濟(jì)和文化建設(shè)提供了有效的遙感技術(shù)服務(wù)手段。遙感航拍技術(shù)對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

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