無控制點數(shù)據(jù)的數(shù)字正射影像圖制作

王 賢，江 虹

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)航測以其反應(yīng)靈敏、機體輕便等特性，成為低空遙感領(lǐng)域一種重要的監(jiān)測手段[1-3]。無人機采集的影像資料通常受地形起伏、大氣折射或相機傾斜等因素的影響，使影像上的地物信息產(chǎn)生不同程度的畸變現(xiàn)象。數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)消除了原始影像上的幾何形變，是一種統(tǒng)一影像上各比例尺的一種新型地形圖[4]。由于DOM具有內(nèi)容豐富、信息直觀等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護、資源監(jiān)測等領(lǐng)域。因此，如何快速、高效地制作DOM已成為航空攝影測量的主要任務(wù)。傳統(tǒng)的攝影測量作業(yè)模式，需要人工在測區(qū)均勻布設(shè)具有明顯地形特征的控制點，再通過空三加密的方法求得影像的外方位元素，這勢必會增加外業(yè)作業(yè)量[5]。而對于急流、高原等人類涉足困難的地區(qū)，不僅難以布控正確的地面控制點，還會額外增加外業(yè)測定成本，使得成圖工序過于復(fù)雜化。因此，如何取代人工布設(shè)地面控制點，直接獲取影像的外方位元素，已成為航空攝影測量中一個亟待解決的問題。

20世紀(jì)八十年代，全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)應(yīng)用于攝影測量工作，使得DOM制作所需要的控制點大量減少，并且可以提供相機的位置參數(shù)。但該方法仍需少量地面控制點，通過空三加密獲取影像外方位角元素。近年來，隨著計算機和通信技術(shù)的高度集成，GPS差分定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)的迅速發(fā)展[6]，定位定向系統(tǒng)(position and orientation system,POS)組合系統(tǒng)為航空攝影測量的數(shù)據(jù)采集提供了新的獲取手段，它可以直接提供影像的外方位元素[7]。POS應(yīng)用于攝影測量，使得無控制點制作數(shù)字正射影像成為可能。一些相關(guān)研究人員為了減少或消除航空攝影測量對控制點的依賴，也在軟件研究[8-9]、平差優(yōu)化[10]、質(zhì)量檢查[11-12]等方面進行了大量試驗和分析。

為了解決傳統(tǒng)DOM制作嚴(yán)重依賴地面控制點的問題，本文采用多旋翼小型無人機作為低空飛行平臺。它搭載SonyA7相機，以不同角度、不同時間拍攝了高清晰度的低空影像。結(jié)合POS直接記錄的輔助數(shù)據(jù)及Inpho影像處理軟件，對無人機影像的糾正處理進行了分析。與傳統(tǒng)方法相比，本方案可以有效減少外業(yè)采集成本，簡化DOM成圖工序。

1 測區(qū)基本情況

本次試驗于2016年10月28日在廣東佛山進行。當(dāng)日天氣多云霧，空氣濕度較大，風(fēng)力小于3級。飛行地區(qū)幾乎無較大地面起伏，平均飛行高度設(shè)計為170 m。航攝區(qū)域有房屋、植被、河塘、農(nóng)作物、道路、高壓線路等。

2 影像資料與無人機姿態(tài)參數(shù)的獲取

2.1 飛行平臺與傳感器性能參數(shù)

本文采用的低空飛行平臺，是一款無需專業(yè)操控手全程自動化的小型無人機，只要輸入比例尺大小、飛行航線、相機參數(shù)等，即可自動按照航線飛行。它自身

帶有彈射起飛系統(tǒng)，無需下滑道，可通過開傘方式降落。在帶有相機負載情況下，無人機質(zhì)量約4 kg；相比2 kg以下的無人機，姿態(tài)更加平穩(wěn)，比大型飛機操作更加簡便，并且續(xù)航時間超過 1 h，一次作業(yè)的飛行距離可達到60 km以上。無人機遙感平臺及傳感器的主要性能參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 飛行平臺主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of the platform

表2 傳感器主要性能指標(biāo)Tab.2 Main performance indexes of the sensor

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 影像資料的獲取

無人機進入航攝區(qū)域進行影像自動拍攝，預(yù)設(shè)影像的航向重疊為75%～80%左右，旁向重疊預(yù)設(shè)為30%左右，平均航高大致為170 m。在外業(yè)航拍工作結(jié)束后，導(dǎo)出影像資料和POS數(shù)據(jù)，共得到223張影像，其大小約為2.4 GB。對航攝數(shù)據(jù)的航向、旁向重疊度、飛行航高、航向彎曲、影像旋角等各項指標(biāo)進行檢查。結(jié)果表明，影像數(shù)據(jù)結(jié)果良好，各項參數(shù)均符合攝影測量要求。

2.2.2 POS記錄的輔助數(shù)據(jù)

當(dāng)無人機在數(shù)據(jù)采集地區(qū)進行航飛時，每隔2 s拍攝一副影像，無人機會記錄下相機在曝光時刻對應(yīng)的單張影像。GPS獲取到曝光時刻無人機的空間位置數(shù)據(jù)(緯度、經(jīng)度、高程)，慣性測量單元記錄下該時刻無人機的空間姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾轉(zhuǎn)角(roll)、俯仰角(picth)和航偏角(heading)。記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 記錄數(shù)據(jù)Tab.3 The data of record

從記錄數(shù)據(jù)來看，無人機飛行高度基本符合預(yù)設(shè)值。航拍區(qū)域大致處于N23°17′、E113°01′的位置。從谷歌地圖中可以查詢到，無人機的航拍區(qū)域位于廣東省佛山市三水區(qū)樂平鎮(zhèn)附近。

3 DOM快速制作

3.1 影像單張糾正

反解法數(shù)字微分糾正是如今影像糾正的主流方法，它能有效避免糾正后影像出現(xiàn)像點排列不規(guī)則的問題。由于無人機采集的影像資料小而多，為了高效、有序地進行影像糾正，本文將正解法和反解法數(shù)字微分糾正相結(jié)合以處理影像資料，達到正射糾正的目的。

①采用正解法數(shù)字微分糾正，以共線條件方程式為基礎(chǔ)，計算出原圖上的四個頂角像點p(x,y)對應(yīng)糾正后的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。通過正射圖像的四個角點坐標(biāo)，即可得到糾正后的正射影像范圍大?。?/p>

(1)

式中：X、Y、Z為原圖像的四個頂點對應(yīng)糾正后的三維坐標(biāo)；f為攝影軸中心到影像的主距；ai、bi、ci(i=1,2,3)為方向余弦，可由POS系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)求得。

②利用反解法逐個計算像點在原圖上的位置坐標(biāo)。設(shè)糾正后的圖像上任一像素中心點P的坐標(biāo)值為(X′,Y′)，其左下角對應(yīng)的地面坐標(biāo)為(X0,Y0)。同時，取該正射影像的比例尺分母為M，則像點P在地面的對應(yīng)坐標(biāo)(X,Y)為：

(2)

③共線條件方程式是航空影像進行正射糾正的基礎(chǔ)。根據(jù)無人機系統(tǒng)提供的影像內(nèi)方位元素x0、y0、f及POS組合系統(tǒng)記錄的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)(影像的外方位元素)，導(dǎo)入數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，即可計算像點P在原航空影像上的對應(yīng)坐標(biāo)p(x,y)。

④由于步驟③求得的像點坐標(biāo)可能不在原航片的某像素中心上，無法直接讀出此像點的灰度值，所以采取雙線性內(nèi)插方式，獲取到像點p處的灰度值g(x,y)，最后將其賦給像點P。

G(x,y)=g(x,y)

(3)

3.2 平差解算外方位元素

傳統(tǒng)航空攝影測量采取光束法區(qū)域網(wǎng)平差，以單張影像上控制點為基礎(chǔ)，從共線條件方程式出發(fā)，計算外方位元素。本文在無控制點情況下，以最小二乘平差為基礎(chǔ)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，使得所有像點殘差平方和最?。蝗缓蟛捎米钏傧陆捣ǖ蠼庥跋裢夥轿辉?。

3.3 影像拼接

根據(jù)糾正后的影像上各個像點的坐標(biāo)關(guān)系，將單張影像拼接起來。采用Inpho軟件中的OrthoVisa功能模塊，對拼接后的影像進行勻光勻色。由拼接之后的正射影像可以看出，經(jīng)過糾正的正射影像整體上基本消除了原始航片的投影誤差，拼接處銜接較好；經(jīng)目視檢查，無明顯錯位、邊角無明顯變形。

4 精度檢查

由于GPS本身精度不高的特性，所以將野外實測控制點坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)進行對比的方法意義不大。在Google Earth軟件中的搜索欄查找無人機記錄的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，以便進行精確定位。然后將糾正后的正射影像與矢量文件進行匹配檢查，調(diào)節(jié)透明度，得到無人機拼接影像與矢量文件疊加效果圖。影像中道路、河塘等重疊度較高，無明顯畸變和錯位現(xiàn)象，說明本文提出正射影像圖制作方法效果較好，可以滿足后續(xù)的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

POS直接對地定位是集機載GPS與慣性測量單元于一體的新型航攝技術(shù)，它可以直接提供影像定向參數(shù)，突破了傳統(tǒng)攝影測量必須進行空中加密的限制。本文采用POS輔助低空攝影測量，可以提高DOM成圖速度、降低野外工作成本，從而有效解決需要到測區(qū)布設(shè)大量地面控制點的問題，簡化了成圖的工業(yè)流程。

本文采取一維搜索與最速下降法聯(lián)合平差方式。雖然成圖速度有明顯優(yōu)勢，但是容易陷入局部最優(yōu)解。因此，找到一種既能滿足成圖速度要求，又能得到全局最優(yōu)解的平差方法，將是下一步需要改進和努力的方向。

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