無人機低空攝影測量POS 數據關鍵信息提取的程序化實現

王春生 屈儒 夏衛新 林大明

1 無人機低空攝影測量發展情況及技術優勢

1.1 無人機低空攝影測量發展情況

無人機低空攝影測量的技術發展比較迅速，已經在多個領域中得到了應用，在我國許多企事業單位對無人機低空攝影測量技術的應用也是非常廣泛的。

無人機低空攝影測量技術，以獲取高分辨率數字影像為應用目標，以無人駕駛飛機為飛行平臺，以高分辨率數碼相機為傳感器，通過3S技術在系統中集成應用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現勢性強的航測影像數據。無人機低空攝影測量主要用于基礎地理數據的快速獲取和處理，為制作正射影像、地面模型或基于影像的區域測繪（或地質測繪等）提供最簡捷、最可靠、最直觀的應用數據。

1.2 無人機低空攝影測量技術優勢

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

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

2 無人機低空攝影測量數據內容

無人機低空攝影測量是通過航攝系統對某測區進行拍攝，獲取航攝影像數據和POS 數據。其中POS數據的關鍵信息為影像數據名和航攝瞬間航攝相機的空間位置數據、旋偏（飛行方向水平角）、俯仰（抬頭或低頭）、橫滾（左右方向偏轉）姿態等數據。

采用不同的航攝鏡頭，所記錄的POS數據內容格式也有所不同。采用大疆M300搭載塞爾102S五鏡頭進行航攝時，其記錄的POS數據每一行的先后順序內容依次為：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，攝影瞬間機頭朝向方位角等信息，詳細內容見表1。

表1 采用賽爾102S五鏡頭獲取的POS數據的格式

采用WP-E2 云臺鏡頭進行航拍時所得原始POS 數據格式為每行數據中包含的數據順序依次為：POS 記錄序號，記錄日期，航攝時間秒數據（自當日0：00開始算起整秒數值），航攝瞬間毫秒數值（千分制秒），航攝瞬間攝影中心位置處經度，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，航攝瞬間無人機內置RTK 解算精度狀態代碼數據，RTK 固定解的經度值的誤差精度值，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，攝影瞬間飛機前進方向的方位角度值等信息，詳細內容見表2。

表2 采用WP-E2云臺鏡頭獲取的POS數據的格式

通過表1、2的數據格式對比可知，雖然POS數據均包含該有的關鍵信息，但是其記錄的數據格式各不相同。

3 程序設計思路及優勢

為了能夠自由靈活的變換POS數據，以滿足不同攝影測量商業軟件在數據處理時對數據格式的不同要求，現應用Microsoft Visual Basic 6.0 程序語言進行設計和編制了無人機低空攝影測量POS數據提取應用小程序。該程序主要包含源數據、目標數據格式的定義，數據分隔符的設定、對應名稱列的字頭字尾內容添加設置，目標數據的定義，輸出數據文件的格式選擇和2款常用軟件的固定POS 格式的選取等部分。

該程序在界面設計時，源數據窗口和目標數據窗口以及待轉換的外業航攝時記錄的原始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列表框控件進行有關信息的輸入及輸出控制；通過CommandButton 命令按鈕控件實現有關的源數據格式和目標數據格式的變換和設置；通過添加按鈕和刪除按鈕實現目標數據格式的指定確認，且在調制設置過程中實現目標文件格式和源文件格式間相互關聯和聯動；通過多個Option單選按鈕控件實現目標格式文件的分隔符設置，且開放了自定義分隔符的設置定義；通過多個Check復選框控件實現的目標：一是實現需要在目標文件相應的字符字段中添加的內容，目的是實現POS記錄名與航攝獲取的影像相片名稱相對應匹配，二是實現目標文件的格式定義設置，如目標格式文件是文本格式（擴展名為txt）或CSV（逗號分隔）的電子表格文件；三是實現針對滿足常用航測數據處理軟件對POS數據格式要求的設置和數據包含內容選取的設置定義，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用，程序界面相應位置處采用Label標簽控件進行有關操作的提示，另外可根據各按鈕控件上的標示文字內容能夠辨別出軟件操作方法及相關操作指令。從軟件窗口的格局上劃分，上部區域包含源文件、目標文件及各文件輸入輸出格式項的相關內容設置，中部區域為待操作文件的顯示區域，下部區域是各種操作執行命令區等。

通過程序化處理的優勢在于，能夠快速高效的進行格式變換和相應內容的修改或添加補充，且不容易出現差錯。程序對于源數據內容中各數據的列信息支持通過點擊“+”或“-”符號按鈕進行靈活的自由增減。在源數據的基礎上設置需要提取的內容目錄即構成目標數據格式，可通過點擊“添加”、“刪除”按鈕實現由源數據至目標數據有效數列的設置，且數列順序可自主靈活調整。

簡而言之，實現程序化提取POS數據中的關鍵信息操作過程主要分3步：首先設置源數據和目標數據的文件格式；其次選擇待提取信息的原始POS文件；最后實現提取文件的生成，即程序通過內部轉換代碼實現關鍵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 執行程序操作過程示意圖

4 應用實例

在無人機低空攝影測量實施的過程中，鏡頭的選用與野外采用的航飛方式直接關聯，且對于成果的質量和外業航飛的工作效率及安全性有本質的影響。鏡頭的選用主要是根據被航攝區域的地形地貌特征和成果要求達到的地面分辨率高低以及工程區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合，在現有條件的基礎上綜合決策，選取最佳最適合的航攝相機鏡頭進行航飛設計及實施。

依據貴州某工程區進行的無人機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單鏡頭進行作業區航拍，最終達到地面分辨率為5 mm 的實景三維模型。在內業三維模型生產過程中，采用了程序化方法，對航飛過程中采集的POS數據進行了關鍵信息的提取，并成功應用于后續的三維實景模型的生產工作。

該工程在實施過程中由于采用的是WP-E2 鏡頭，所以在數據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字開始連續遞增，造成POS數據中的照片名稱序號與實際照片文件名稱不能夠一一對應，給POS數據的生產應用帶來麻煩。面對這種情況，采用程序化處理方法解決，在程序化處理選項中設置好正確的POS信息的起始序號，程序內部編碼在執行時自動處理并實現一一對應關系，省去人為編輯修改環節，大大提高工作效率。

通過程序化處理后的POS數據能夠成功應用于大疆智圖、ContextCapture（簡稱CC）等商業處理軟件。本例是將程序化處理后的POS數據應用于大疆智圖軟件，進行空中三角測量及優化處理直到三維實景模型的生成。其程序化處理界面示意如圖2所示，通過程序化提取POS關鍵信息得到的最終有效POS 信息的成果數據見表3，經過空中三角測量數據處理后合格的成果數據即可應用于最終的三維實景模型生產了，最終的三維實景模型效果如圖3所示。

圖2 程序化提取POS關鍵信息程序執行界面示意圖

圖3 三維實景模型效果示意圖

表3 程序化提取POS關鍵信息得到的最終有效POS信息的成果數據樣表

5 結 語

隨著測量技術手段的不斷發展進步，數據處理工作量也越來越大，大多數情況下工程項目留給測量的生產時間非常緊張，必然造成測量外業完成后的內業數據處理的時間壓力非常大，在數據處理的多個步驟環節中采用程序化處理手段，如程序化提取航飛POS數據的關鍵信息的方法，能夠極大的提高工作效率，縮短內業數據處理的時間，為項目測量成果能夠盡快提供使用打下堅實基礎。

通過在實際工程中的實踐應用，采用程序化方法實現無人機低空攝影測量系統POS數據提取關鍵信息是完全可行的方法手段，實際應用效果顯著，在數據處理環節大幅縮短時間，希望此方法能夠在以后的航空攝影測量生產項目數據處理環節中起到參考借鑒作用。