無人機(jī)低空攝影測量POS 數(shù)據(jù)關(guān)鍵信息提取的程序化實(shí)現(xiàn)

王春生 屈儒 夏衛(wèi)新 林大明

1 無人機(jī)低空攝影測量發(fā)展情況及技術(shù)優(yōu)勢

1.1 無人機(jī)低空攝影測量發(fā)展情況

無人機(jī)低空攝影測量的技術(shù)發(fā)展比較迅速，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，在我國許多企事業(yè)單位對無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用也是非常廣泛的。

無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)，以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以無人駕駛飛機(jī)為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的航測影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)低空攝影測量主要用于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的快速獲取和處理，為制作正射影像、地面模型或基于影像的區(qū)域測繪（或地質(zhì)測繪等）提供最簡捷、最可靠、最直觀的應(yīng)用數(shù)據(jù)。

1.2 無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)優(yōu)勢

無人機(jī)具有靈活機(jī)動的特點(diǎn)，受空中管制和氣候的影響較小，能夠在惡劣環(huán)境下直接獲取影像，即便是設(shè)備出現(xiàn)故障，也輕易不會出現(xiàn)人員傷亡，具有較高的安全性。

無人機(jī)可以在云下超低空飛行，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷，可獲取比衛(wèi)星遙感和普通航攝更高分辨率的影像。同時(shí)，低空多角度攝影獲取建筑物多面高分辨率紋理影像，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影獲取城市建筑物時(shí)遇到的高層建筑遮擋問題。

2 無人機(jī)低空攝影測量數(shù)據(jù)內(nèi)容

無人機(jī)低空攝影測量是通過航攝系統(tǒng)對某測區(qū)進(jìn)行拍攝，獲取航攝影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)。其中POS數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息為影像數(shù)據(jù)名和航攝瞬間航攝相機(jī)的空間位置數(shù)據(jù)、旋偏（飛行方向水平角）、俯仰（抬頭或低頭）、橫滾（左右方向偏轉(zhuǎn)）姿態(tài)等數(shù)據(jù)。

采用不同的航攝鏡頭，所記錄的POS數(shù)據(jù)內(nèi)容格式也有所不同。采用大疆M300搭載塞爾102S五鏡頭進(jìn)行航攝時(shí)，其記錄的POS數(shù)據(jù)每一行的先后順序內(nèi)容依次為：照片名稱，攝影瞬間攝影中心緯度，攝影瞬間攝影中心經(jīng)度，攝影瞬間攝影中心高度（大地高），攝影瞬間攝影中心相對起飛點(diǎn)高度，攝影瞬間主光軸俯仰角度，攝影瞬間像平面左右橫滾角度，攝影瞬間機(jī)頭朝向方位角等信息，詳細(xì)內(nèi)容見表1。

表1 采用賽爾102S五鏡頭獲取的POS數(shù)據(jù)的格式

采用WP-E2 云臺鏡頭進(jìn)行航拍時(shí)所得原始POS 數(shù)據(jù)格式為每行數(shù)據(jù)中包含的數(shù)據(jù)順序依次為：POS 記錄序號，記錄日期，航攝時(shí)間秒數(shù)據(jù)（自當(dāng)日0：00開始算起整秒數(shù)值），航攝瞬間毫秒數(shù)值（千分制秒），航攝瞬間攝影中心位置處經(jīng)度，航攝瞬間攝影中心位置處緯度，航攝瞬間攝影中心位置處大地高度，航攝瞬間無人機(jī)內(nèi)置RTK 解算精度狀態(tài)代碼數(shù)據(jù)，RTK 固定解的經(jīng)度值的誤差精度值，RTK 固定解的緯度值的誤差精度值，RTK 固定解的大地高度值的誤差精度值，攝影瞬間主光軸的俯仰角度值，攝影瞬間像平面的左右橫滾角度值，攝影瞬間飛機(jī)前進(jìn)方向的方位角度值等信息，詳細(xì)內(nèi)容見表2。

表2 采用WP-E2云臺鏡頭獲取的POS數(shù)據(jù)的格式

通過表1、2的數(shù)據(jù)格式對比可知，雖然POS數(shù)據(jù)均包含該有的關(guān)鍵信息，但是其記錄的數(shù)據(jù)格式各不相同。

3 程序設(shè)計(jì)思路及優(yōu)勢

為了能夠自由靈活的變換POS數(shù)據(jù)，以滿足不同攝影測量商業(yè)軟件在數(shù)據(jù)處理時(shí)對數(shù)據(jù)格式的不同要求，現(xiàn)應(yīng)用Microsoft Visual Basic 6.0 程序語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和編制了無人機(jī)低空攝影測量POS數(shù)據(jù)提取應(yīng)用小程序。該程序主要包含源數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)格式的定義，數(shù)據(jù)分隔符的設(shè)定、對應(yīng)名稱列的字頭字尾內(nèi)容添加設(shè)置，目標(biāo)數(shù)據(jù)的定義，輸出數(shù)據(jù)文件的格式選擇和2款常用軟件的固定POS 格式的選取等部分。

該程序在界面設(shè)計(jì)時(shí)，源數(shù)據(jù)窗口和目標(biāo)數(shù)據(jù)窗口以及待轉(zhuǎn)換的外業(yè)航攝時(shí)記錄的原始POS文件所在的文件目錄窗口，均采用Microsoft Visual Basic程序語言中的ListBox列表框控件進(jìn)行有關(guān)信息的輸入及輸出控制；通過CommandButton 命令按鈕控件實(shí)現(xiàn)有關(guān)的源數(shù)據(jù)格式和目標(biāo)數(shù)據(jù)格式的變換和設(shè)置；通過添加按鈕和刪除按鈕實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)格式的指定確認(rèn)，且在調(diào)制設(shè)置過程中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)文件格式和源文件格式間相互關(guān)聯(lián)和聯(lián)動；通過多個(gè)Option單選按鈕控件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)格式文件的分隔符設(shè)置，且開放了自定義分隔符的設(shè)置定義；通過多個(gè)Check復(fù)選框控件實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：一是實(shí)現(xiàn)需要在目標(biāo)文件相應(yīng)的字符字段中添加的內(nèi)容，目的是實(shí)現(xiàn)POS記錄名與航攝獲取的影像相片名稱相對應(yīng)匹配，二是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)文件的格式定義設(shè)置，如目標(biāo)格式文件是文本格式（擴(kuò)展名為txt）或CSV（逗號分隔）的電子表格文件；三是實(shí)現(xiàn)針對滿足常用航測數(shù)據(jù)處理軟件對POS數(shù)據(jù)格式要求的設(shè)置和數(shù)據(jù)包含內(nèi)容選取的設(shè)置定義，如常用軟件Context Capture 和大疆智圖軟件。

為了便于軟件使用者的應(yīng)用，程序界面相應(yīng)位置處采用Label標(biāo)簽控件進(jìn)行有關(guān)操作的提示，另外可根據(jù)各按鈕控件上的標(biāo)示文字內(nèi)容能夠辨別出軟件操作方法及相關(guān)操作指令。從軟件窗口的格局上劃分，上部區(qū)域包含源文件、目標(biāo)文件及各文件輸入輸出格式項(xiàng)的相關(guān)內(nèi)容設(shè)置，中部區(qū)域?yàn)榇僮魑募娘@示區(qū)域，下部區(qū)域是各種操作執(zhí)行命令區(qū)等。

通過程序化處理的優(yōu)勢在于，能夠快速高效的進(jìn)行格式變換和相應(yīng)內(nèi)容的修改或添加補(bǔ)充，且不容易出現(xiàn)差錯。程序?qū)τ谠磾?shù)據(jù)內(nèi)容中各數(shù)據(jù)的列信息支持通過點(diǎn)擊“+”或“-”符號按鈕進(jìn)行靈活的自由增減。在源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)置需要提取的內(nèi)容目錄即構(gòu)成目標(biāo)數(shù)據(jù)格式，可通過點(diǎn)擊“添加”、“刪除”按鈕實(shí)現(xiàn)由源數(shù)據(jù)至目標(biāo)數(shù)據(jù)有效數(shù)列的設(shè)置，且數(shù)列順序可自主靈活調(diào)整。

簡而言之，實(shí)現(xiàn)程序化提取POS數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息操作過程主要分3步：首先設(shè)置源數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)的文件格式；其次選擇待提取信息的原始POS文件；最后實(shí)現(xiàn)提取文件的生成，即程序通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換代碼實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵POS信息的提取并生成新的POS文件。簡易流程如圖1所示。

圖1 執(zhí)行程序操作過程示意圖

4 應(yīng)用實(shí)例

在無人機(jī)低空攝影測量實(shí)施的過程中，鏡頭的選用與野外采用的航飛方式直接關(guān)聯(lián)，且對于成果的質(zhì)量和外業(yè)航飛的工作效率及安全性有本質(zhì)的影響。鏡頭的選用主要是根據(jù)被航攝區(qū)域的地形地貌特征和成果要求達(dá)到的地面分辨率高低以及工程區(qū)植被覆蓋率大小等綜合因素，并與所采用的航飛方式的安全性評估相結(jié)合，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上綜合決策，選取最佳最適合的航攝相機(jī)鏡頭進(jìn)行航飛設(shè)計(jì)及實(shí)施。

依據(jù)貴州某工程區(qū)進(jìn)行的無人機(jī)低空攝影測量工作為例，該工程采用大疆M300 搭載韋博云臺WP-E2單鏡頭進(jìn)行作業(yè)區(qū)航拍，最終達(dá)到地面分辨率為5 mm 的實(shí)景三維模型。在內(nèi)業(yè)三維模型生產(chǎn)過程中，采用了程序化方法，對航飛過程中采集的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)鍵信息的提取，并成功應(yīng)用于后續(xù)的三維實(shí)景模型的生產(chǎn)工作。

該工程在實(shí)施過程中由于采用的是WP-E2 鏡頭，所以在數(shù)據(jù)處理過程中有較為特殊的情況，即每一架次的POS 文件中的記錄序號都是由自然數(shù)1開始起算依次遞增，而拍攝存儲的照片文件名卻是從某一數(shù)字開始連續(xù)遞增，造成POS數(shù)據(jù)中的照片名稱序號與實(shí)際照片文件名稱不能夠一一對應(yīng)，給POS數(shù)據(jù)的生產(chǎn)應(yīng)用帶來麻煩。面對這種情況，采用程序化處理方法解決，在程序化處理選項(xiàng)中設(shè)置好正確的POS信息的起始序號，程序內(nèi)部編碼在執(zhí)行時(shí)自動處理并實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系，省去人為編輯修改環(huán)節(jié)，大大提高工作效率。

通過程序化處理后的POS數(shù)據(jù)能夠成功應(yīng)用于大疆智圖、ContextCapture（簡稱CC）等商業(yè)處理軟件。本例是將程序化處理后的POS數(shù)據(jù)應(yīng)用于大疆智圖軟件，進(jìn)行空中三角測量及優(yōu)化處理直到三維實(shí)景模型的生成。其程序化處理界面示意如圖2所示，通過程序化提取POS關(guān)鍵信息得到的最終有效POS 信息的成果數(shù)據(jù)見表3，經(jīng)過空中三角測量數(shù)據(jù)處理后合格的成果數(shù)據(jù)即可應(yīng)用于最終的三維實(shí)景模型生產(chǎn)了，最終的三維實(shí)景模型效果如圖3所示。

圖2 程序化提取POS關(guān)鍵信息程序執(zhí)行界面示意圖

圖3 三維實(shí)景模型效果示意圖

表3 程序化提取POS關(guān)鍵信息得到的最終有效POS信息的成果數(shù)據(jù)樣表

5 結(jié) 語

隨著測量技術(shù)手段的不斷發(fā)展進(jìn)步，數(shù)據(jù)處理工作量也越來越大，大多數(shù)情況下工程項(xiàng)目留給測量的生產(chǎn)時(shí)間非常緊張，必然造成測量外業(yè)完成后的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間壓力非常大，在數(shù)據(jù)處理的多個(gè)步驟環(huán)節(jié)中采用程序化處理手段，如程序化提取航飛POS數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息的方法，能夠極大的提高工作效率，縮短內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，為項(xiàng)目測量成果能夠盡快提供使用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

通過在實(shí)際工程中的實(shí)踐應(yīng)用，采用程序化方法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵信息是完全可行的方法手段，實(shí)際應(yīng)用效果顯著，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)大幅縮短時(shí)間，希望此方法能夠在以后的航空攝影測量生產(chǎn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中起到參考借鑒作用。