DPGRID處理無人機數據的生產實踐

吳國青

（蘇州武大影像信息工程研究院有限責任公司，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

這些年隨著國家大力推廣應用國產低空無人飛行器航測遙感系統在國家應急救災、國土資源監察、數字城市建設和新農村測繪保障等領域均取得了不少成績。相對于傳統航測航空審批周期長、專業攝影設備、成本大等情況，低空無人飛行器具有機動靈活，操作簡單，可以便捷高效進行數據獲取，而且獲取的影像具有高分辨率、高清晰度，逐漸成為常規航空攝影的一種有效補充手段。

本文通過闡述在江蘇某地成功運用低空無人飛機進行影像數據獲取，采用武漢大學張祖勛院士領銜研制的新一代數字攝影測量網格系統（DPGrid）[1]進行低空數據處理來生產 1：1000 DLG、DOM，對工程實施中關鍵點工藝流程進行闡述，并對成果精度進行了評定，總結驗證無人機航測可應用于大比例尺航測成圖。

1 工作流程及關鍵技術

1.1 測區概況及任務

本項目測區位于江蘇蘇北某市郊區，測區內地勢低平，居民地大都沿河呈一字型分布較有規律，多為農田，測區面積為30 km2，測區范圍如圖1。

圖1 測區范圍

圖2 作業流程

1.2 工作流程

采用低空無人飛機航測的作業流程包括低空航測、像控測量、自動空三、立體測圖、外業調繪及編圖、DOM制作等。其中關鍵的質量點包括低空航測規劃、相機檢校及畸變改正、像片控制點的布設及測量、自動空三、無縫測圖、DOM勻色鑲嵌。相對傳統作業流程，低空航測作業流程如圖2所示。

1.3 低空航測規劃

低空航測一般選用性能可靠、可有一定載荷、有穩定云臺、續航能力強、安全系數高的無人飛行器，本次選用機長約2米的滑跑式無人飛機，最大載重為2kg，航攝相機采用佳能 5D Mark II非量測相機，焦距為 35mm，像幅為 3744×5616，像素大小為 6.4μm。 航攝采取短邊飛行方向，根據現場踏勘情況及當日風速風向情況進行航線規劃，設計按航向重疊度為70%、航間重疊度為40%，地面分辨率為7cm，航高為400米，航速控制在100公里/時左右以減小像素位移誤差。

圖3 畸變改正前

圖4 畸變改正后

為確保飛機在空中姿態的穩定性，減小旋片角、橫滾角的角度，飛行采用與風向平行飛行，共飛行兩架次，拍攝相片2600多張，組成27個航帶，單個航帶最少為32張，最多為145張。航向重疊度為70%～80%，航間重疊度為25%～45%。拍攝的影像實際地面分辨率為7.7cm，對照規范標準完全滿足1：1000 DLG制作的要求。

1.4 相機檢校及畸變改正

采用佳能5D Mark II相機屬于非量測相機。因民用非量測相機拍攝的影像畸變差大，直接關系到成果的幾何精度，故航攝前需對相機進行畸變檢校，航攝后對影像進行畸變改正。本流程是低空攝影測量中非常重要的一步。

通過CCD相機獲取的影像，其幾何畸變主要來自光學誤差和電學誤差[2]。光學誤差主要是指相機光學鏡頭所產生的鏡頭畸變差，它包含對稱畸變差和非對稱畸變差，鏡頭畸變差在影像上一般表現為中心小、周邊大的特點。CCD相機的電學誤差主要表現在CCD影像上呈現一種抖動狀。該誤差通?？珊喕上袼氐拈L寬尺度比例因子和像平面X軸與Y軸不正交所產生的畸變。綜上，像點坐標畸變差改正的公式可簡化為[3]：

（1）式中，x與y是像點坐標，x0與y0是像主點坐標，kn(n為自然數)是待定的徑向畸變差系數，p1與p2是待定的非對稱畸變系數，r是以像主點為極點的向徑。在實際應用中，徑向畸變系數kn通常取到k3即能滿足要求。

做完畸變改正后可對影像進行目視檢查，一般畸變改正后的影像呈桶形向外擴散，見圖3、4所示。

如需進一步的檢測畸變參數的準確性需進行影像相對定向。

1.5 像片控制點的布設及測量

區域網布點采用平高控制點按整體進行布設。根據相機參數、相對于成圖比例拍攝的放大倍數、相對航高、視差量測的單位權中誤差等確定像片控制點航向基線數跨度。其公式如下：

（2）（3）式中：ms為連接點（空三加密點）的平面中誤差，單位為 mm；mh為連接點（空三加密點）的高程中誤差，單位為m；K為像片放大成圖的倍數；H為相對航高，單位為m；b為像片基線長度，單位為mm；mq為視差量測的單位權中誤差，單位為mm；n為航線方向相鄰平面控制點的間隔基線數。

由于低空影像重疊度變化大，可按以上公式（2）（3）計算滿足最弱點連接點的平面高程中誤差要求的像片控制點航向基線數跨度。一般情況下，在視差量測的單位權中誤差接近1/3像素左右條件下，平高控制點的航向間隔基線數參照公式（2）（3）計算為6～8條，旁向間隔為2～4條。

由于低空數碼影像像幅小、影像數量多，只有在DPGrid工程管理系統中做完自由網平差后進行滿足像片選點條件的布點。

外業采用GPS RTK測量像控點的三維坐標是非常高效與可靠的，測量時根據內業制作的刺點片拍攝現場測量點位位置近景遠景照片及量取比高。

1.6 自動空三

本項目低空數據處理采用武漢大學張祖勛院士領銜研制的新一代數字攝影測量網格系統（DPGrid），DPGrid將計算機網絡技術、并行處理技術、高性能計算技術與數字攝影測量處理技術相結合，它包括工程管理模塊、自動空三模塊及產品生產模塊[4]。

根據測區范圍所示，將影像按照正確的飛行方向在DPGrid工程下進行航帶排列，待上下航帶首片相互對齊后，采用基于最小二乘匹配算法進行自動匹配，設置航向匹配搜索范圍參數為25%、航間匹配參數搜索范圍為15%。匹配完成后進行5×5×3自動智能挑點，通過多張影像多基線構建局部自由網平差剔除誤差匹配點，高精度保留標準點位定向點，使航片上加密點在50個以上并盡可能均勻分布。通過大量高精度、高強度的加密點進行模型連接，增加了模型連接強度。

最后，采用光束法平差方法剔除錯誤像點，若系統存在固定誤差時可加入12參數以上的系統誤差改正模型進一步提高空三精度，達到測圖要求的空三相關精度指標應與航空規范中相關要求相一致。

1.7 無縫測圖

由于低空影像像幅小，重疊度大，就會導致模型基高比變小，進而導致測圖時高程精度降低。同時影像數量多，會導致模型數量同比例變多，相對傳統航片來說，測同一幅圖，調用的模型數目多，模型之間來回切換頻繁。采用蘇武現代數字攝影測量系統—無縫測圖模塊只要加載DPGrid空三平差后的外方位元素及畸變改正后的影像就可進行測圖，測圖過程中可以自動根據目標地物坐標切換模型，同時可以根據最佳交會角進行測量，避免傳統立體測圖需要做相對定向、絕對定向的作業過程，大大提高了作業的方便性。

1.8 DOM勻色鑲嵌

處理低空影像的顏色問題，在DOM鑲嵌制作過程中是一項重要的工序。一般來講，影響正射影像最終顏色質量的主要因素一是單張影像內部亮度分布不均勻二是多張影像間色彩差異較大[5]。在DPGrid正射鑲嵌系統中通過建立基于模板比值等多種算法對單張影像逐一進行匹配勻光，多張影像間采用基于Wallis濾波器的勻色處理[6]，這樣很好地解決了以上問題。

采用快速鑲嵌方法而成的圖內鑲嵌線相對規整，能夠方便且易于人工編輯處理解決局部拼接線及色調差的問題。相比系統提供智能蟻群算法鑲嵌更適合目視圖面檢查及修改。局部如大面積水系色差等現象的調整可調取photoshop修改后回存，回存調整羽化值，可以很好地處理圖像色差問題。

1.9 成圖精度評定

1.9.1 根據規范要求，區域網平差計算結束后，連接點對最近野外控制點的平面位置中誤差、高程中誤差不得大于下表1規定。成圖比例尺點別

表1 連接點中誤差

1.9.2 本加密區相對定向連接點上下視差中誤差為0.00223mm（規范允許上下視差中誤差為2/3個像素0.00427mm），連接點上下視差最大殘差為0.00549mm（限差為4/3個像素）。對整個加密區2602張航片進行統計，殘余上下視差精度統計見下表2。

表2 殘余上下視差區間精度統計

1.9.3 模型連接較差限值按公式（3）和公式（4）計算：

（4）（5）式中：m為航攝比例尺分母；f為航攝儀焦距；b為像片基線長度，式中△S、△Z以米為單位。

采用DPGrid.BA平差系統直接計算所得為模型連接空間較差，即模型連接空間較差詳見下表3。

表3 模型連接空間區間較差

1.9.4 絕對定向

區域網控制點的平面和高程成果取用RTK像控測量成果數據，本次利用像控點為430個，其中空三加密過程中409個點作為基本定向點，21個點作為檢查點。本測區分為一個區域網，區域網平差計算結束后，對基本定向點殘差值、檢查點誤差不符值進行了統計，如表4。

表4 基本定向點、檢查點精度統計表

綜上可知，本加密區加密成果平面精度良好，高程精度達不到規范規定要求。

1.9.5 外業精度檢測

野外對地形圖地物點進行檢測，檢測后的地形圖地物點點位中誤差精度區間統計如下表5（參照地形圖點位中誤差應小于實地±50CM的精度要求）：

表5 地物點點位中誤差區間精度統計

1.9.6 將DOM與地形圖進行疊加，將DOM上采集坐標與地形圖同名點進行比較。經統計，DOM平面位置中誤差為0.20m（允許中誤差為0.50m），DOM平面位置較差按中誤差進行區間統計如下表6。

各項統計結果表明，本項目的DLG、DOM成果精度均符合制作要求。采用低空航測方法

表6 DOM平面位置較差區間精度統計

2 結論

工程實踐表明，對于小城鎮及待開發區域等航測面積不是很大和應急需要的情況下，采用低空無人飛機航攝具有機動靈活、周期短等優勢。

利用無人機航測生產DLG產品，由于像幅小，增加了加密與測圖的工作量，應用DPGrid系統使內業數據處理的技術難度減少了，高度集成的自動化提高了制作效率。

采用低空航測進行DLG成圖的工序流程最好是先進行自由網平差通過后再開展各項工作，這樣有利控制各道工序質量。低空航測存在基高比小，即使選擇最佳交會角測圖高程精度往往很難滿足測圖需要，如何有效提高測高精度還需各方面的系統性研究。

［1］張祖勛.從數字攝影測量工作站(DPW)到數字攝影測量網格(DPGrid)[J].武漢大學學報：信息科學版,2007,32(7)：565-571.

［2］凡亦文,等.無人機航空攝影測量在大比例尺測圖中的應用[A]//第十七屆中國遙感大會摘要集[C].2010.

［3］程效軍,胡敏捷.數字相機的檢校[J].鐵路航測,2001,4：12-14.

［4］初愛萍.基于DPGrid軟件的無人機數據處理[J].科技傳播,2010(10)：196-97.

［5］李德仁,王密,潘俊.光學遙感影像的自動勻光處理及應用[J].武漢大學學報：信息科學版,2006,31(9)：753-756.

［6］孫明偉.正射影像全自動快速制作關鍵技術研究[D].2009.