基于Pix4D Mapper的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理

張凱想，吳長悅

（華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引言

我國科學(xué)技術(shù)不斷飛躍發(fā)展的同時(shí)，工程建設(shè)行業(yè)也在不斷地提高與進(jìn)步，獲取一個(gè)地區(qū)的地形地貌、地質(zhì)資源和人文環(huán)境等空間遙感信息時(shí)，更偏向于高精度的數(shù)字化、操作便捷的自動化、人工干預(yù)少的智能化?，F(xiàn)如今，業(yè)內(nèi)更加關(guān)注如何用最少的人力資源進(jìn)行高效、精確的數(shù)字化測圖，并且獲得的資料成果可以適用于多方面用途，面對復(fù)雜環(huán)境也不失精度。

我國目前獲取數(shù)字地形圖主要方式有RTK數(shù)字測圖和基于遙感技術(shù)來繪制地形圖，傳統(tǒng)數(shù)字測圖方法需花費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源，而衛(wèi)星遙感影像圖則需要一定的周期時(shí)間，不能快速及時(shí)地獲取所需數(shù)據(jù)，且容易受到天氣原因干擾，所以數(shù)據(jù)存在局限性。無人機(jī)進(jìn)行航空攝影的技術(shù)有衛(wèi)星遙感不具備的優(yōu)勢，無人機(jī)航測技術(shù)能夠提供高精度、全面的數(shù)據(jù)，相對而言，復(fù)核成本低、效率高，適應(yīng)測繪區(qū)域各種復(fù)雜的環(huán)境[1]。無人機(jī)攝影測量中有傾斜攝影測量和垂直攝影測量。垂直攝影測量與傾斜攝影測量可以通過搭載數(shù)碼相機(jī)鏡頭數(shù)量的不同，以及工作方式的不同來區(qū)分。利用無人機(jī)上裝配的相機(jī)連續(xù)對地面垂直進(jìn)行拍攝相片，儲存在數(shù)碼相機(jī)中，之后用內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理成果只有正射影像圖，也就是視角垂直于地面。生產(chǎn)正射影像的優(yōu)點(diǎn)是相片少、數(shù)據(jù)量少、軟件處理速度快。雖然單純地利用正射影像也可以生成三維模型，但是模型的側(cè)面紋理拉花相當(dāng)嚴(yán)重，甚至造成紋理的重投影錯(cuò)誤。而傾斜攝影測量一般用于三維建模中，多采用組合寬角相機(jī)拼接技術(shù)，例如五目相機(jī)用前、后、左、右、垂直五個(gè)方向?qū)Φ匚镞M(jìn)行拍攝，之后用內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行處理得到一個(gè)區(qū)域的多個(gè)角度拍攝信息并生成三維模型[2]，用五目相機(jī)生成的三位模型因?yàn)橛袀?cè)面紋理的照片，所以模型整體效果較好且側(cè)面不易拉花，細(xì)節(jié)更加真實(shí)，但是飛機(jī)在空中的同一個(gè)POS位置就會有5張照片，數(shù)量上是正射的5倍，所以，內(nèi)業(yè)處理速度要慢且對電腦硬件要求較高。本次實(shí)驗(yàn)主要研究的是生成正射影像DOM并進(jìn)行線劃圖的繪制。

1 基本介紹

1.1 軟件介紹

Pix4D Mapper是瑞士Pix4D公司旗下最新的無人機(jī)內(nèi)業(yè)處理專業(yè)級軟件，利用從地面、輕型無人機(jī)或常規(guī)航攝的影像處理正射影像鑲嵌圖或3D模型和點(diǎn)云，提供厘米級別的精度，為全自動工作流程。項(xiàng)目成果可以無縫輸出到任意專業(yè)軟件如GIS、CAD等[3]。主要輸出成果如下：

1）三維點(diǎn)云，能生成可視化三維高精度點(diǎn)云和紋理，并重建建筑物模型的精確地理位置，也配備了點(diǎn)云編輯器，內(nèi)業(yè)人員可以進(jìn)行手動選擇和刪除點(diǎn)云，軟件還能自動將點(diǎn)云歸類到植被、建筑和地面類中。

2）數(shù)字地表模型和數(shù)字地面模型，無論是地表模型還是地面模型，計(jì)算每個(gè)像素的高程值。

3）正射影像鑲嵌圖，具有精確的地理定位，無透視變形，使用編輯器來改善正射影像的視覺效果。

1.2 基本公式介紹

1）航高確定。對于已知的硬件設(shè)備如飛機(jī)的鏡頭參數(shù)，根據(jù)項(xiàng)目要求的成果分辨率即可計(jì)算出航高，或者根據(jù)飛行高度反算出地面分辨率。

式中：H為航高，f為鏡頭焦距，a為像元尺寸，GSD為地面分辨率。

2）重疊度計(jì)算。航向重疊的計(jì)算是根據(jù)沿航線方向相鄰的兩張照片在地面的投影范圍的重疊，通過每張照片尺寸的高減去曝光間距即可得到相鄰兩張照片重疊區(qū)域的長度。圖1中相片1、相片2未重疊部分長度等于曝光間距。

圖1 航向重疊區(qū)域

航向重疊度：

式中：影像高在地面投影大小Y=(y×H)/f，傳感器高y=最短邊像素×像元大小，M為曝光間距，H為航高，f為焦距。

旁向重疊的計(jì)算則是計(jì)算相鄰兩條航線上兩張照片的寬在地面投影范圍的重疊，計(jì)算左右兩張影像重疊區(qū)域的長度則是影像寬直接減去航線間距。圖2中相片1、相片2未重疊部分長度等于航線間距。

圖2 旁向重疊區(qū)域

旁向重疊度：

式中：影像寬在地面投影大小X=(x×H)/f，傳感器寬x=最長邊像素×像元大小，N為航線間距，H為航高，f為焦距。

2 實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)介紹

影像數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)在河北省唐山市遵化區(qū)石門鎮(zhèn)東舊寨村，測區(qū)范圍利用奧維互動地圖來展示，其中數(shù)字“01-09”標(biāo)簽為采集的控制點(diǎn)大概位置，“起飛點(diǎn)”標(biāo)簽為飛機(jī)起飛的大概位置，如圖3所示。

圖3 測區(qū)范圍

航飛高度80 m，旁向重疊70%，旁向80%。影像格式為.JPG，共計(jì)1 201張，飛行覆蓋面積為1.84 km2，每張照片寬度與高度都分別為5 472像素、3 648像素，數(shù)據(jù)大小每張約7 MB～9 MB，共計(jì)9.94 GB。需要注意相控點(diǎn)影像應(yīng)當(dāng)較為清晰，易于識別；為提高影像匹配結(jié)果精度，像控點(diǎn)應(yīng)避開具有陰影的區(qū)域；布設(shè)于開闊地帶，布設(shè)區(qū)域無信號塔、大片水域等干擾物影響。因?yàn)楹絽^(qū)有大面積村莊，所以控制點(diǎn)布設(shè)地點(diǎn)有限，綜合考慮各方面因素后，用紅色直角L噴漆的方式[4]，較為均勻地布設(shè)了9個(gè)控制點(diǎn)（DJ01～DJ09），隨后用RTK采集了各個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系為CGCS2000。

2.2 技術(shù)流程圖

技術(shù)流程圖如圖4所示。

圖4 技術(shù)流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括以下內(nèi)容。

1）新建工程。①建立并選擇項(xiàng)目名稱與目錄，工程目錄路徑和項(xiàng)目名稱應(yīng)避免使用中文；②選擇加載需要處理的影像；③加載POS數(shù)據(jù)，因?yàn)榇蠼`4 RTK將POS數(shù)據(jù)寫入照片內(nèi)，所以軟件會自動提取POS數(shù)據(jù)，并自動識別坐標(biāo)系；④軟件識別EXIF ID，并加載默認(rèn)參數(shù)，不過為了獲取更精確的數(shù)據(jù)，以相機(jī)出廠校正參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算數(shù)值并對應(yīng)填寫保存[5]；⑤根據(jù)需要來選擇處理模板，生成正射影像圖，選擇3D地圖；⑥坐標(biāo)系的輸出需要根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)，與之一致，否則會導(dǎo)致導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，提示錯(cuò)誤信息而無法添加控制點(diǎn)(選擇2000國家大地坐標(biāo)系)；⑦大疆精靈4 RTK自帶實(shí)時(shí)差分，有兩種坐標(biāo)系設(shè)置，WGS84和CGCS2000，但是兩者所獲取的都是相應(yīng)的大地高（橢球高），并非基于國家85高程基準(zhǔn)的正常高，也非全球范圍通用的EGM高程基準(zhǔn)（正高），所以縱坐標(biāo)系選擇大地水準(zhǔn)面高度[CGCS2000]高于橢球高度為0[6]。如圖5所示。

圖5 坐標(biāo)系設(shè)置

2）刺相控點(diǎn)。將圖像導(dǎo)入后，為了獲得更高的精度，需要進(jìn)行相控點(diǎn)的編輯。點(diǎn)擊相應(yīng)的圖像，放大后找到外業(yè)做的相控點(diǎn)的標(biāo)志，點(diǎn)擊，然后尋找下一個(gè)影像的標(biāo)志，每個(gè)控制點(diǎn)大約編輯5～7張圖片即可。如圖6所示。

圖6 導(dǎo)入控制點(diǎn)

3）處理和成果輸出。本處理分三步：第一是初步處理，是一個(gè)進(jìn)行自動化特征點(diǎn)提取的過程，從相鄰航線和同一航線中的兩景相片重疊部分尋找連接點(diǎn)，軟件會自動根據(jù)連接點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相機(jī)的多次校準(zhǔn)直到得出一個(gè)滿意結(jié)果；第二是生成點(diǎn)云和三維網(wǎng)紋理，需要根據(jù)工程實(shí)際情況來選擇合適的點(diǎn)云和紋理處理密度和輸出的數(shù)據(jù)格式，若不需要可選擇不輸出文件；第三是生成DSM和正射影像，這一步是此次實(shí)驗(yàn)最后的一步，其輸出結(jié)果也是最后要的正射影像。在進(jìn)行處理之前，要確保電腦有足夠大的工作空間，否則很容易處理失敗，正射處理結(jié)果如圖7所示，DSM處理結(jié)果如圖8所示。

圖7 正射影像

圖8 DSM圖像

由第三步生成的正射影像，可以導(dǎo)入到CASS中進(jìn)行線劃圖的采集，最后得到工程需要的矢量數(shù)據(jù)（部分）如圖9所示。

圖9 CASS成圖

4）精度驗(yàn)證。本次實(shí)驗(yàn)共采用9個(gè)檢查點(diǎn)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，先在外業(yè)現(xiàn)場選取地物特征明顯的9個(gè)點(diǎn)，用RTK平滑采集數(shù)據(jù)10次取平均值作為已知點(diǎn)坐標(biāo)，在生成的正射影像圖上采集相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行對比，如表1、圖9所示。由精度驗(yàn)證表可以發(fā)現(xiàn)，所測的9個(gè)點(diǎn)的平面誤差均在±5 cm以內(nèi)，最大點(diǎn)的誤差為5號檢查點(diǎn)的Y方向上為4.9 cm，最小的誤差為6號點(diǎn)Y方向上的誤差1.2 cm。由誤差折線分析可知，平面點(diǎn)X和Y方向上的誤差分布暫無規(guī)律，但均滿足1∶500比例尺的平面要求。

表1 精度驗(yàn)證 m

圖9 誤差折線分析（取絕對值）

3 結(jié)論

本研究利用Pix4D Mapper軟件對唐山市遵化區(qū)石門鎮(zhèn)東舊寨村進(jìn)行正射影像圖制作，并利用CASS9.1繪制矢量圖。通過此次外業(yè)加內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

1）無人機(jī)外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)務(wù)必注意當(dāng)時(shí)的天氣，尤其霧大風(fēng)大時(shí)謹(jǐn)慎起飛，并且不能忘記采集控制點(diǎn)坐標(biāo)，pix4D Mapper自動化處理數(shù)據(jù)速度較快，生成模型過程中無需人為干預(yù)，且生成的正射圖像質(zhì)量也較好。

2）進(jìn)行相控點(diǎn)編輯時(shí)，不用每張圖上都刺點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)刺5～6張影像即可。

3）利用Pix4D Mapper制作的正射影像圖，并利用CASS9.1繪制的矢量圖的平面精度滿足測繪基本的工程需要，但對于高程精度沒有進(jìn)行驗(yàn)證，如需要更高精度的地圖，則應(yīng)另尋方法或繼續(xù)驗(yàn)證。