基于PixelGrid系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)空三的研究

申 偉

（河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450003）

基于PixelGrid系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)空三的研究

申 偉

（河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450003）

本文以PixelGrid系統(tǒng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊（UVA）為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)字測(cè)量的無(wú)人機(jī)自動(dòng)空三測(cè)量作業(yè)方法進(jìn)行介紹，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，分析了其精度相關(guān)因素及控制方法。

PixelGrid系統(tǒng)；無(wú)人機(jī)自動(dòng)空三；PATB平差；參數(shù)設(shè)置

微型無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)正逐漸成為航空攝影測(cè)量系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，是空間數(shù)據(jù)獲得的重要工具之一。而質(zhì)量更輕、體積更小、性能更高的一系列航空攝影測(cè)量設(shè)備以及無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，又使無(wú)人機(jī)航拍攝影成為航空攝影測(cè)量中的一支新生力量[1]。但是，無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境的復(fù)雜性及飛行的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的POS信息不夠精確，空三作業(yè)一般采用全人工作業(yè)模式，加之?dāng)?shù)據(jù)量大，影響了空三加密的生產(chǎn)效率。

本文選取具有代表性的測(cè)區(qū)，運(yùn)用PixelGrid無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)空三測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明，PixelGrid無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能滿足自動(dòng)空三的作業(yè)要求。

1 PixelGrid自動(dòng)空中三角測(cè)量的方法

PixelGrid是一款涵蓋了航攝像片處理(AEO)、衛(wèi)星影像處理（SAT），以及無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理（UVA）幾大功能模塊的高分辨率遙感影像一體化測(cè)圖系統(tǒng)。它具有集成化程度高，操作界面人機(jī)互動(dòng)，匹配速快、精確，自動(dòng)化程度比較高，開(kāi)放的數(shù)據(jù)格式也可以與其他測(cè)圖軟件和數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等特點(diǎn)[2]。

1.1 加密預(yù)處理

1.1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

測(cè)區(qū)位于三門峽西南方向的靈寶老城附近，攝區(qū)地形為平丘地；使用佳能5d數(shù)碼相機(jī)，焦距為51mm，飛行相對(duì)航高為725m，航攝比例尺為1∶15000，影像分辨率為0.1m。

首先建立該測(cè)區(qū)目錄，正確輸入攝影比例尺；檢查相機(jī)參數(shù)，主要包括主點(diǎn)坐標(biāo)、焦距、像素、影像分辨率等；整理控制點(diǎn)，PixelGird只識(shí)別點(diǎn)號(hào)為全數(shù)字的點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)號(hào)修改，同時(shí)軟件自動(dòng)匹配點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)是5位，要避免控制點(diǎn)和自動(dòng)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)相同。

1.1.2 影像預(yù)處理

無(wú)人機(jī)航空拍攝的相機(jī)為非量測(cè)相機(jī)，像片存在邊緣畸變，需根據(jù)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行畸變差校正后方能進(jìn)行空三加密。

把像片按航帶分開(kāi)，按照飛行方向旋轉(zhuǎn)像片（相鄰航線的像片旋轉(zhuǎn)角度相差180°），使影像正確重疊；由于在自動(dòng)空三影像自動(dòng)匹配過(guò)程中，采用的是“金字塔”(即逐級(jí)) 影像匹配技術(shù), 需不斷調(diào)用壓縮影像,因此必須對(duì)原始掃描影像文件進(jìn)行壓縮處理，提高運(yùn)算速度,軟件默認(rèn)生成四級(jí)外金字塔影像（1∶27、1∶9、1∶3、1∶1）。

1.1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

設(shè)置相機(jī)參數(shù)，正確輸入相機(jī)的主點(diǎn)、焦距、影像的行數(shù)和列數(shù)；導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo)，一般只需導(dǎo)入已經(jīng)編輯好的控制點(diǎn)文本文件，軟件默認(rèn)是數(shù)學(xué)坐標(biāo)系；設(shè)置航空影像數(shù)據(jù)參數(shù)，正確設(shè)置每條航線影像序列的升降排列，以保證影像位置關(guān)系的正確性。

由于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)自身的原因，相對(duì)定向限差及模型連接限差值需給大些，以提高模型連接成功率，該試驗(yàn)區(qū)模型連接限差值設(shè)置為0.02mm更為合適。

1.2 PixelGrid自動(dòng)空三加密方法

整個(gè)空中三角測(cè)量加密過(guò)程包括內(nèi)定向、相對(duì)定向、航帶間偏移量量測(cè)、全自動(dòng)航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)、剔除錯(cuò)差、補(bǔ)點(diǎn)修測(cè)、連接點(diǎn)粗差和遺漏編輯、人工修測(cè)后再進(jìn)行第二次平差，多次重復(fù)迭代進(jìn)行，然后控制點(diǎn)量測(cè)，進(jìn)行整體平差解算，最后獲取空三加密成果[3]。

PixelGrid無(wú)人機(jī)模塊加密步驟如圖1所示。

1.2.1 影像自動(dòng)內(nèi)定向

系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)所有影像內(nèi)定向，過(guò)程較為簡(jiǎn)便。

1.2.2 影像自相對(duì)定向

相對(duì)定向的目的是匹配模型左右片的同名點(diǎn)，利用同名光線對(duì)對(duì)相交的原理恢復(fù)攝影瞬間相鄰兩航片的相對(duì)關(guān)系[4]。已經(jīng)做過(guò)部分相對(duì)定向，可根據(jù)需要選擇是否“覆蓋原有的相對(duì)定向成果”；如自動(dòng)定向提示失敗，可對(duì)定向失敗的模型人工干預(yù)，添加定向點(diǎn)，然后再相對(duì)定向。

圖1 自動(dòng)空三流程圖

1.2.3 航帶間偏移量量測(cè)

航帶間偏移量量測(cè)是為了確定航線與航線之間像片的相互位置關(guān)系，航線與航線之間至少需要首末兩個(gè)初始點(diǎn)。初始點(diǎn)連接完成后，可以通過(guò)“檢查航帶初始點(diǎn)”檢查初始點(diǎn)是否有漏測(cè)，通過(guò)“查找航帶初始點(diǎn)”查找一個(gè)初始點(diǎn)，通過(guò)“刪除一個(gè)航帶初始點(diǎn)”刪除一個(gè)初始點(diǎn)。

初始點(diǎn)選取不能太靠近影像邊緣，一般在所有相鄰航帶間的首尾要各加一對(duì)偏移點(diǎn),當(dāng)加密的航帶比較長(zhǎng)時(shí),在航帶中間也加一些點(diǎn),有助于軟件自動(dòng)在航帶間轉(zhuǎn)刺連接點(diǎn)。

1.2.4 全自動(dòng)航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)

全自動(dòng)航帶間的轉(zhuǎn)點(diǎn)和數(shù)據(jù)整理過(guò)程比較長(zhǎng)，也是自動(dòng)空三測(cè)量最為重要的一步。確定兩條航線間的偏移量之后,使用同一邊緣測(cè)定和輪廓匹配的方法,形成相鄰航線相鄰影像的匹配點(diǎn)對(duì)。通過(guò)跨航線形成連續(xù)相對(duì)定向?yàn)樾潞骄€提供第二套投影中心（第一套產(chǎn)生于航帶的構(gòu)成），通過(guò)兩套投影中心作為控制點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式改正后,當(dāng)前航帶點(diǎn)就轉(zhuǎn)換到上一航帶[5]。

PixelGird軟件在這一過(guò)程中有一個(gè)弊端，只提取3°以上點(diǎn)，這樣在航線首末航片的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位便沒(méi)有連接點(diǎn)。全自動(dòng)航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)及數(shù)據(jù)整理只能運(yùn)行一次，不能重復(fù)運(yùn)行。

1.2.5 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位補(bǔ)點(diǎn)

因影像或者軟件問(wèn)題，全自動(dòng)航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)后，有少數(shù)影像的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位缺少連接點(diǎn)，需進(jìn)行人工補(bǔ)點(diǎn)。

1.2.6 自由網(wǎng)平差、剔除粗差點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位補(bǔ)完點(diǎn)后，調(diào)用PATB平差，剔除粗差大于10的點(diǎn)。刪除粗差點(diǎn)時(shí)要分段刪除，一些粗差點(diǎn)可能是由于別的錯(cuò)誤點(diǎn)引起的。

1.2.7 量測(cè)外業(yè)控制點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差

自由網(wǎng)平差完成后，量測(cè)外業(yè)控制點(diǎn)。根據(jù)外業(yè)刺點(diǎn)片，先量測(cè)測(cè)區(qū)四周四個(gè)點(diǎn)位明確的控制點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，然后預(yù)測(cè)其余的控制點(diǎn)位置，這樣控制點(diǎn)基本上就在實(shí)際位置附近，再逐張逐點(diǎn)量測(cè)。

1.2.8 平差解算、交互式編輯

調(diào)用PATB平差，誤差參數(shù)要根據(jù)成圖要求嚴(yán)格設(shè)置。根據(jù)PATB輸出的.ori報(bào)告，編輯誤差超限點(diǎn)，再調(diào)用PATB解算，交互式編輯，直至無(wú)超限點(diǎn)為止。

三門峽測(cè)區(qū)的定向精度見(jiàn)表1。

表1 三門峽測(cè)區(qū)定向精度表

1.2.9 成果輸出

PixelGird可以輸出自身的數(shù)據(jù)，還可以輸出JX4的PATB數(shù)據(jù)和VirtuoZo加密成果，根據(jù)測(cè)圖需要輸出方便使用的數(shù)據(jù)。

2 空三精度相關(guān)因素分析及控制

空中三角測(cè)量的精度除了受影像資料的質(zhì)量、控制點(diǎn)布設(shè)、控制點(diǎn)野外測(cè)量精度等外界因素影響，與作業(yè)員的工作態(tài)度及作業(yè)經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。以下是對(duì)PixelGird自動(dòng)空三過(guò)程中精度控制的幾點(diǎn)總結(jié)：

（1）第一次調(diào)用PATB計(jì)算時(shí)，一定要處于挑粗差的狀態(tài)(如圖2所示) ，在以后平差時(shí)調(diào)用上一次平差的.ori文件。

（2）像點(diǎn)驗(yàn)前精度值系統(tǒng)默認(rèn)為0.5個(gè)像素值，一般要將控制點(diǎn)的驗(yàn)前精度值設(shè)置得大一些，避免PATB利用控制點(diǎn)糾正整個(gè)像點(diǎn)網(wǎng)導(dǎo)致像點(diǎn)網(wǎng)變形或因控制點(diǎn)的權(quán)值過(guò)高而將控制點(diǎn)刪除。

圖2 PATB編輯界面

（3）計(jì)算過(guò)程中，可能會(huì)有一些殘差很大的點(diǎn)在模型下觀測(cè)沒(méi)有視差，可能是測(cè)區(qū)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中模型連接的限差設(shè)置問(wèn)題，將模型連接的限差改為0.02，或小范圍調(diào)整點(diǎn)的位置。

（4）模型連接失敗主要由以下兩類原因引起。第一類是模型連接點(diǎn)中誤差設(shè)置的緣故，解決這類錯(cuò)誤的方法是在連接點(diǎn)編輯界面，大略檢查這些連接點(diǎn)是否正確，刪除明顯不對(duì)的；其次檢查3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位是否有點(diǎn)，如沒(méi)有則要手工加入；然后回到主界面的測(cè)區(qū)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將模型連接的限差改為0.02mm，連接模型。第二類失敗的原因是在3°重疊區(qū)沒(méi)有連接點(diǎn)，要用手工方法在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位處加入若干個(gè)3°重疊點(diǎn)，再繼續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)點(diǎn)操作。

3 結(jié)論

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量逐漸被廣泛地使用于各個(gè)測(cè)繪行業(yè)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，彌補(bǔ)了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在數(shù)據(jù)獲取上的一些劣勢(shì)，自動(dòng)空三成果的精度大幅提高。測(cè)繪人員在實(shí)際使用過(guò)程中要不斷地積累經(jīng)驗(yàn)和推廣有用的經(jīng)驗(yàn)，使得空三技術(shù)更好地服務(wù)于測(cè)繪事業(yè)。

[1]王俊.無(wú)人機(jī)航空攝影的空三評(píng)價(jià)分析[J].甘肅科技,2011(13).

[2]中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院.PixelGird-UVA航空影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[M].北京:北京四維空間數(shù)碼科技有限公司,2010.

[3]武瑞宏.空中三角測(cè)量及其成果共享[J].鐵道勘察，2004(5).

[4]鄭小兵,鄭彥春,張紅軍,等.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)用于電力勘測(cè)工程的探索和設(shè)想[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2009(6).

[5]肖高銘,詹衛(wèi)華,張艷紅. 淺談空中三角測(cè)量在實(shí)際工作中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2007(12).

申偉 (1970—),女，漢族，工程師,從事工程測(cè)量、地理信息系統(tǒng)建設(shè)、1∶1萬(wàn)地形圖更新等工作。E-mail:shenweixc@126.com