無人機(jī)航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)分析

王 麗

（山西華澳商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山西 晉中 030600）

無人機(jī)航空攝影技術(shù)是航空攝影領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要手段，具有靈活快速、成本低廉、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴莫?dú)特優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為應(yīng)用較為廣泛的空間數(shù)據(jù)獲取手段，特別在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取和小范圍測(cè)繪等方面存在獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)分析步驟是：首先進(jìn)行影響配準(zhǔn)，其次進(jìn)行空三計(jì)算、平差處理和幾何校準(zhǔn)處理等一系列處理，最后進(jìn)行影像鑲嵌與正射校正處理。該處理方法存在對(duì)原始數(shù)據(jù)要求高、姿態(tài)參數(shù)精度要求高和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)要求高的特點(diǎn)。在無人機(jī)軟件系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，由于無人機(jī)對(duì)于地面影像獲取可能會(huì)受到內(nèi)部與外界的各種因素影響，因此其處理質(zhì)量可能會(huì)存在某些問題。為避免此類情況的產(chǎn)生，在數(shù)據(jù)接收與采用處理軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理前，研究人員需通過圖像增強(qiáng)、圖像校正等技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，以此來確保測(cè)量效果[1]。Agisoft Photo Scan軟件為無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)的快速處理提供了可能。采用Agisoft Photo Scan軟件可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)快速拼接處理、生成數(shù)字正射影像處理和生成數(shù)字高程模型處理。本文將對(duì)無人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)概述和特點(diǎn)，以及影像數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)進(jìn)行分析探討。

1 無人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)概述

1.1 硬件系統(tǒng)組成

無人機(jī)航空攝影測(cè)量硬件系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為機(jī)載系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)，詳見表1。

表1 無人機(jī)航空攝影測(cè)量硬件系統(tǒng)組成及主要功能

1.2 軟件系統(tǒng)組成

無人機(jī)航空攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)主要由兩部分組成，分比為航線設(shè)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)接收與處理軟件，詳見表2。

表2 無人機(jī)航空攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)組成及主要功能

2 無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)

2.1 時(shí)效性強(qiáng)

相較于傳統(tǒng)的人工測(cè)量以及衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)量中用時(shí)更短，可及時(shí)提供相應(yīng)的地理信息。同時(shí)，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)也具有更大的測(cè)量范圍，單臺(tái)無人機(jī)每天可以對(duì)數(shù)十到數(shù)百平方千米的面積進(jìn)行航空攝影。由此可見，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的時(shí)效性很強(qiáng)。

2.2 簡(jiǎn)單可靠

無人機(jī)航空攝影為低空飛行，氣候環(huán)境并不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生過大影響，且該技術(shù)對(duì)于操作場(chǎng)地沒有過高要求，只需確保起降場(chǎng)地平整即可。同時(shí)，無人機(jī)操作簡(jiǎn)單，相關(guān)操作技巧容易掌握。由此可見，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)具備簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)勢(shì)。

2.3 數(shù)據(jù)獲取快

通常情況下，無人機(jī)上均安裝數(shù)碼攝像機(jī)等的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)區(qū)域地理信息的快速獲取，且具有較高的分辨率。同時(shí)，相應(yīng)的可視化三維地理信息數(shù)據(jù)也將快速生成，從而有效滿足實(shí)際工程測(cè)量需求[2]。

2.4 成本低

目前許多無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)本身價(jià)格較為合理，應(yīng)用和維修較為簡(jiǎn)單，加之操作人員有限，不需花費(fèi)大量的人力資源成本。

3 無人機(jī)航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)

由目前的無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用可知，其影像數(shù)據(jù)的快速處理主要通過Agisoft Photo Scan軟件來實(shí)現(xiàn)。Agisoft Photo Scan軟件中含有自動(dòng)化三維場(chǎng)景建模技術(shù)，通過此項(xiàng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)的良好拼接，同時(shí)也可以對(duì)EDM模型以及數(shù)字化正射影像等三維模型進(jìn)行建立，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航空攝影作業(yè)效率及其影像數(shù)據(jù)處理效率的顯著提升。Agisoft Photo Scan軟件可以為多種相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)處理提供支持，包括球面鏡頭、魚眼鏡頭、單幅相機(jī)等，且能夠?yàn)镻ython語言提供支持，并以腳本的形式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)流程的良好控制[3]。在通過該軟件進(jìn)行無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)的快速處理中，其主要處理流程包括無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、導(dǎo)入并對(duì)齊影像、生成密集點(diǎn)云、幾何圖元編輯、生成DEM、生成數(shù)字化正射影像以及成果導(dǎo)出七大部分，其主要流程示意圖詳見圖1。

圖1 Agisoft PhotoScan軟件對(duì)無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)快速處理的主要流程示意圖

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

無人機(jī)種類繁多和用途各有不同，不同無人機(jī)獲取到的POS數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生不同的格式，基于此，在通過Agisoft Photo Scan軟件進(jìn)行無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)的快速處理中，首先需要將POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Photo Scan軟件認(rèn)可的格式。通常情況下，在無人機(jī)航空攝影影像獲取中，其自身攜帶的IMU與GPS將會(huì)構(gòu)成一個(gè)POS系統(tǒng)，從而在飛行中實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)和WGS-84坐標(biāo)等的數(shù)據(jù)獲取，一些無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)將會(huì)在拍攝時(shí)直接寫入到GPS數(shù)據(jù)中。通過Photo Scan軟件，可直接在照片EXIF信息中對(duì)其位置信息進(jìn)行讀取。由于無人機(jī)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)并非必要數(shù)據(jù)，不需在影像POS數(shù)據(jù)中將其導(dǎo)入。

3.2 影像導(dǎo)入與對(duì)齊

將無人機(jī)航空攝影影像添加到Photo Scan中，若航空攝影區(qū)域具有較大的面積，則需要分區(qū)處理，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的航空攝影照片不需要太多數(shù)量，便可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)性能的充分利用，并實(shí)現(xiàn)航空攝影影像處理效率的進(jìn)一步提升。若位置信息已經(jīng)寫入了航空攝影影像數(shù)據(jù)內(nèi)，則不需要將影像POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入，否則需導(dǎo)入。在照片導(dǎo)入之后，可對(duì)影像進(jìn)行設(shè)置，包括相機(jī)精度、標(biāo)尺精度、標(biāo)記精度、坐標(biāo)參考系等。之后是照片對(duì)齊處理，對(duì)齊精度可以按照五個(gè)級(jí)別進(jìn)行劃分，越低精度的照片，對(duì)其處理的速度也就越快。通過該軟件中的三維多視圖重建技術(shù)，便可對(duì)照片的姿態(tài)、位置等進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，并在此過程中實(shí)現(xiàn)影像的絕對(duì)定向、相對(duì)定向以及內(nèi)定向處理。

3.3 密集點(diǎn)云生成

在具體處理中，Photo Scan軟件可以相機(jī)位置作為依據(jù)，對(duì)其深度信息進(jìn)行計(jì)算，并將其合并成單一形式的密集點(diǎn)云。密集點(diǎn)云的生成質(zhì)量也可以按照五個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分，越高質(zhì)量的密集點(diǎn)云處理速度就會(huì)越慢。在具體處理中，可根據(jù)實(shí)際需求來合理選擇點(diǎn)云質(zhì)量。比如，在進(jìn)行災(zāi)害區(qū)域的應(yīng)急航空攝影過程中，便可將點(diǎn)云質(zhì)量適當(dāng)降低，以此來提升其處理速度。對(duì)于部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可以按照實(shí)際需求對(duì)其進(jìn)行剪裁或刪除處理。若最終獲得的模型結(jié)果需要一個(gè)三維多邊形，則需要進(jìn)一步做好網(wǎng)格構(gòu)建，可借助于軟件中的稽核員編輯功能；若最終獲得的結(jié)果只需要是DEM以及正射影像形式，則不需構(gòu)建網(wǎng)格[4]。

3.4 幾何圖元編輯

在網(wǎng)格生成之后，可借助于軟件中的幾何圖元編輯功能將不需要的一些面元素刪除。若無人機(jī)航空攝影獲取的原始影像數(shù)據(jù)不具備足夠的重疊度，網(wǎng)格模型可能會(huì)出現(xiàn)孔洞。對(duì)于孔洞，可通過Photo Scan將其關(guān)閉。對(duì)于獲得的多邊形模型，也需通過Photo Scan軟件來生成相應(yīng)的紋理。

3.5 DEM生成

DEM是以網(wǎng)格模型或密集點(diǎn)云為基礎(chǔ)所生成的數(shù)字化高程模型。由于網(wǎng)格模型的生成步驟并非必須，且為了實(shí)現(xiàn)DEM精度的有效提升，在具體的DEM生成中，通常會(huì)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)原作為其元數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行DEM分辨率的合理設(shè)置。在此過程中，需要將加密成果與自動(dòng)化技術(shù)作為依托，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)形成立體模型，并做好相應(yīng)的參數(shù)確定，保障區(qū)域內(nèi)存在核線影像。在對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，可直接自動(dòng)生成數(shù)據(jù)點(diǎn)和視差曲線，并根據(jù)實(shí)際處理需求編輯好曲線間隔，使其準(zhǔn)確切入測(cè)量出地面信息，完整呈現(xiàn)出被測(cè)區(qū)域內(nèi)的地理與地貌狀態(tài)。在DEM模型的建立過程中，若需要將加密技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到測(cè)量區(qū)域中，則需要確定加密點(diǎn)，獲得加密數(shù)據(jù)并生成相應(yīng)的三角網(wǎng)，將特征點(diǎn)、特征線和特征面數(shù)據(jù)作為依據(jù)，可有效確保三角網(wǎng)的準(zhǔn)確性。通過這樣的方式，便可實(shí)現(xiàn)DEM模型的有效生成。

3.6 數(shù)字化正射影像生成

在通過無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的過程中，數(shù)字正射影像的生成是其影像數(shù)據(jù)快速處理中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。一般情況下，在數(shù)字化正射影像的生成過程中，需要將DEM模型用作其表面。對(duì)于數(shù)字化正射影像的具體尺寸，在具體處理中可將無人機(jī)航空攝影獲取的影像原始分辨率平均值作為依據(jù)來確定。按照所選表面區(qū)域的面積和像素尺寸輸入值，便可科學(xué)計(jì)算出數(shù)字化正射影像的生成尺寸，讓數(shù)字化正射影像得以科學(xué)生成。

3.7 成果導(dǎo)出

在無人機(jī)航空攝影測(cè)量中，成果導(dǎo)出就是DEM模型的導(dǎo)出以及數(shù)字化正射影像的導(dǎo)出。在DEM模型的導(dǎo)出中，可根據(jù)實(shí)際需求來選擇合理的像素大小以及地理投影。若DEM模型具有較大的范圍，導(dǎo)出時(shí)占用的系統(tǒng)內(nèi)存可能較大，可能會(huì)對(duì)其導(dǎo)出效果產(chǎn)生一定程度的不良影響。為有效避免發(fā)生這一問題，在導(dǎo)出過程中可采用非很快導(dǎo)出的方式來進(jìn)行處理。通常情況下，只需采用繪制圖形的方式將DEM的具體導(dǎo)出范圍指出。在數(shù)字化正射影像的導(dǎo)出中，其設(shè)置方法與DEM模型導(dǎo)出十分相似。通過Agisoft Photo Scan軟件的應(yīng)用，可導(dǎo)出多種無人機(jī)航空攝影影像處理數(shù)據(jù)格式，包括World Wind Tiles格式、MBTileS格式、Goole Map Tiles格式、Goole KMZ格式、PNG格式以及JPEG格式等。對(duì)于Goole KMZ格式的結(jié)果，可添加到Goole Earth中進(jìn)行查看[5]。通過這樣的方式，便可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航空攝影測(cè)量高清影像的有效獲取，且此類影像幾乎能夠達(dá)到無縫重疊效果。

4 結(jié)束語

無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)是地理測(cè)量工作中的一種主流技術(shù)形式，該技術(shù)具有時(shí)效性強(qiáng)、簡(jiǎn)單可靠、數(shù)據(jù)獲取快和成本低等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)無人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)概述和特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)通過分析無人機(jī)航空攝影測(cè)量影像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方式，提出使用Agisoft Photo Scan軟件可實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確處理。Agisoft Photo Scan軟件主要流程包括無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、導(dǎo)入并對(duì)齊影像、生成密集點(diǎn)云、幾何圖元編輯、生成DEM、生成數(shù)字化正射影像以及成果導(dǎo)出等內(nèi)容，該技術(shù)可以提高無人機(jī)航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)處理效率?！?/p>