DPGrid_LAT在尾礦庫(kù)無(wú)人機(jī)遙感影像處理中的應(yīng)用

洪運(yùn)富，楊一鵬，楊海軍

（環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

一、引 言

“十一五”以來，我國(guó)環(huán)境質(zhì)量狀況局部有所改善，總體尚未遏制，重大環(huán)境事件頻發(fā)，環(huán)境形勢(shì)非常嚴(yán)峻。環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境管理的“哨兵”和“耳目”，嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)迫切需要構(gòu)建“天-空-地”一體化的先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，大力發(fā)展衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)遙感等高科技手段，不斷增強(qiáng)我國(guó)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力，高效支撐服務(wù)國(guó)家環(huán)境管理。

無(wú)人機(jī)遙感是衛(wèi)星遙感和航空遙感的有益補(bǔ)充，又具有其他遙感手段無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低、反應(yīng)快速、易于轉(zhuǎn)場(chǎng)的特點(diǎn)，利用它可以靈活快速地獲取高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢(shì)性的遙感影像。它不僅可以完成傳統(tǒng)航攝飛機(jī)的任務(wù)，而且可以進(jìn)入傳統(tǒng)手段無(wú)法覆蓋的領(lǐng)域，廣泛用于抗震救災(zāi)、高危區(qū)域調(diào)查和環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)等。

二、尾礦庫(kù)危害和張家口尾礦庫(kù)簡(jiǎn)介

尾礦庫(kù)是當(dāng)前最重要的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源之一。尾礦庫(kù)是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦、濕法冶煉過程中產(chǎn)生的廢物或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所，一般由尾礦堆存系統(tǒng)、尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)、尾礦庫(kù)回水系統(tǒng)等幾部分組成。這些尾礦不僅數(shù)量大，而且有些礦中含有暫時(shí)未能回收的有用成分，若隨意排放不僅會(huì)造成資源流失，更重要的是大面積覆沒農(nóng)田、淤塞河道，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和各種災(zāi)害，因此必須將尾礦加以妥善處理。

張家口市地處京晉冀蒙交界處，距北京約180 km，位于北京水源地上游，北京市重要飲用水源地——官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)補(bǔ)水量的85%和密云水庫(kù)的47%來自該市，地理位置十分敏感。據(jù)2010年5月的統(tǒng)計(jì)，其轄區(qū)內(nèi)共有尾礦庫(kù)520多座，約占全國(guó)4%，其中涉重尾礦庫(kù)30座，具有數(shù)量多、類型全、范圍廣、密度大等特點(diǎn)，多數(shù)尾礦庫(kù)下游分布有居民地、河流、農(nóng)田、自然保護(hù)區(qū)等不同類型環(huán)境敏感對(duì)象，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)突出。為推動(dòng)尾礦庫(kù)環(huán)境應(yīng)急管理工作，探索尾礦庫(kù)環(huán)境應(yīng)急管理長(zhǎng)效機(jī)制，2010年，環(huán)境保護(hù)部在張家口市開展尾礦庫(kù)環(huán)境應(yīng)急管理試點(diǎn)工作，綜合利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)和地面調(diào)查相結(jié)合的手段，開展了張家口市重點(diǎn)尾礦庫(kù)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)。

三、DPGrid_LAT系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格（DPGrid_LAT）是由中國(guó)工程院院士張祖勛提出并指導(dǎo)研制出的新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。它打破了傳統(tǒng)的攝影測(cè)量流程，應(yīng)用先進(jìn)高性能并行計(jì)算、海量存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，采用改進(jìn)的影像匹配算法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)空三、自動(dòng)DEM與正射影像生成，自動(dòng)化程度和系統(tǒng)效率大大提高，實(shí)現(xiàn)了航空航天遙感數(shù)據(jù)的自動(dòng)化快速處理和空間信息的快速獲取。DPGrid擁有低空、航空、航天遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及DPGrid_LAT無(wú)縫測(cè)圖系統(tǒng)，能夠滿足三維地理空間信息快速采集與更新的需要，可為國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展各方面提供具有現(xiàn)勢(shì)性的三維地理空間信息。

DPGrid_LAT可以實(shí)現(xiàn)并行處理功能，大大提高作業(yè)效率，包括影像預(yù)處理、自動(dòng)匹配、DEM制作、DOM制作。軟件流程如圖1所示。

圖1 DPGrid_LAT軟件流程圖

1.創(chuàng)建工程和匹配參數(shù)設(shè)置

在DPGrid_LAT中新建工程，并將新建的工程路徑指定到之前建好的測(cè)區(qū)文件夾下。根據(jù)相機(jī)的校驗(yàn)文件設(shè)置相機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，攝影類型設(shè)為“低空攝影”，匹配參數(shù)設(shè)置主要設(shè)置水平重疊度、垂直重疊度及相應(yīng)的搜索范圍。

2.數(shù)據(jù)處理

在軟件中導(dǎo)入航空影像，DPGrid_LAT接受各種數(shù)字影像，包括 TIFF、TiledTIFF、JPEGTIFF、Geo-TIFF、以11 bit位存儲(chǔ)的 TIFF影像、JPG、BMP格式等。將無(wú)人機(jī)航空影像導(dǎo)入軟件后，進(jìn)行航帶設(shè)置和航線對(duì)齊，可以實(shí)現(xiàn)并行處理功能，大大提高作業(yè)效率，包括影像預(yù)處理、自動(dòng)匹配、DEM制作、DOM制作。

3.自動(dòng)空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是利用一個(gè)區(qū)域中多幅影像連接點(diǎn)的影像坐標(biāo)，加上很少的已知影像坐標(biāo)和物方空間坐標(biāo)的地面控制點(diǎn)，利用模式識(shí)別技術(shù)和多像影像匹配等方法，通過區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，代替人工在影像上自動(dòng)選點(diǎn)與轉(zhuǎn)點(diǎn)，求解連接點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)與影像的外方位元素；同時(shí)自動(dòng)獲取像點(diǎn)坐標(biāo)，提供給區(qū)域網(wǎng)平差程序解算，以確定加密點(diǎn)在選定坐標(biāo)系中的空間位置和影像的定向參數(shù)?？罩腥菧y(cè)量是后續(xù)的一系列無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)，如創(chuàng)建DEM、DTM、DOM和立體測(cè)圖等。

1）自動(dòng)匹配。自動(dòng)匹配是空三中很重要的一步操作，很多情況下可以直接決定后面的空三人工交互的工作量。這一步程序基于人工添加的少量偏移量，自動(dòng)尋找航帶內(nèi)和航帶間同名點(diǎn)。在自動(dòng)匹配下也可以實(shí)現(xiàn)并行匹配，提高了作業(yè)效率。

2）自動(dòng)挑點(diǎn)。自動(dòng)挑點(diǎn)是對(duì)程序匹配后的同名點(diǎn)建立相互連接關(guān)系，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位保留點(diǎn)個(gè)數(shù)的篩選，并嵌入平差功能，初步剔除測(cè)區(qū)內(nèi)粗差大的連接點(diǎn)，減少空三挑粗差點(diǎn)的工作量。

3）交互式編輯。挑點(diǎn)結(jié)束之后進(jìn)入交互式編輯界面，對(duì)匹配后的結(jié)果進(jìn)行空三加密內(nèi)業(yè)處理，利用光速法平差方法進(jìn)行平差解算?？杖用苋斯そ换サ牧鞒淌且粋€(gè)不斷平差和挑點(diǎn)的循環(huán)過程，此循環(huán)操作一直進(jìn)行到像點(diǎn)中誤差和最大像點(diǎn)殘差及控制點(diǎn)最大誤差都達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為止。空三加密工作完成之后，輸出空三結(jié)果文件，為后續(xù)產(chǎn)品制作所用。

4）平差功能介紹。平差分為POS平差、分航帶平差、自由網(wǎng)平差和區(qū)域網(wǎng)平差。POS平差是針對(duì)外業(yè)控制點(diǎn)較少或無(wú)控制點(diǎn)的狀況下，利用高精度的POS數(shù)據(jù)輔助空三平差，提高空三精度；分航帶平差是針對(duì)測(cè)區(qū)整個(gè)網(wǎng)連接不好的情況，先選擇單條或多條航帶平差，逐步調(diào)整；自由網(wǎng)平差是通過得到的特征匹配點(diǎn)構(gòu)建測(cè)區(qū)加密網(wǎng)，經(jīng)空三平差后，當(dāng)整個(gè)加密網(wǎng)達(dá)到收斂狀態(tài)，即可利用空三加密結(jié)果生成正射拼圖；區(qū)域網(wǎng)平差是利用外業(yè)控制點(diǎn)將測(cè)區(qū)內(nèi)所有像點(diǎn)歸算至大地坐標(biāo)系，確定整個(gè)加密網(wǎng)的絕對(duì)位置。

4.產(chǎn)品生產(chǎn)

產(chǎn)品生產(chǎn)可以利用控制網(wǎng)的空三成果快速制作DEM和DOM，包括正射拼圖和正射影像。DOM正射影像的制作可以基于DEM或DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行影像拼接，并對(duì)測(cè)區(qū)整體影像進(jìn)行勻光勻色、色調(diào)均衡處理，以達(dá)到較好的圖面效果。

在應(yīng)急快速響應(yīng)時(shí)也可以基于粗略的DEM結(jié)果快速生產(chǎn)正射影像圖，或在無(wú)控制測(cè)區(qū)利用空三結(jié)果進(jìn)行正射拼圖生產(chǎn)，以達(dá)到快速生成影像圖的目的。

5.正射影像編輯

在模塊編輯中可利用編輯好的DEM進(jìn)行影像的自動(dòng)采樣更新，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接邊。制作正射影像時(shí)，為方便DOM數(shù)據(jù)的高效存取與處理，可首先將影像劃分為格網(wǎng)，根據(jù)影像的投影中心劃分鑲嵌分界線；然后對(duì)投影差進(jìn)行分析，根據(jù)投影差與數(shù)字表面模型（DSM）修改不合適的鑲嵌分界線；最后在鑲嵌分界線的鄰域進(jìn)行灰度與色彩的平滑過渡，具有系統(tǒng)靈活、方便的特點(diǎn)。

DPGrid_LAT與Photoshop圖像處理軟件留有接口，雙擊圖片時(shí)可以直接在Photoshop中對(duì)框選部門的影像進(jìn)行編輯，并將編輯結(jié)果反饋到DPGrid_LAT中。

6.產(chǎn)品輸出

根據(jù)產(chǎn)品需求，可輸出框選區(qū)域DEM、DLG和DOM成果，標(biāo)準(zhǔn)圖幅成果，金字塔DOM成果。圖2為利用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)完成的張家口崇禮縣紫金礦業(yè)尾礦庫(kù)周邊敏感對(duì)象分布圖。

圖2 張家口崇禮縣紫金礦業(yè)尾礦庫(kù)周邊敏感對(duì)象分布圖

四、結(jié)果分析

本次使用的尾礦庫(kù)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，由于飛行時(shí)天氣原因?qū)е掠跋褓|(zhì)量較差，但后期圖像處理時(shí)采用DPGrid系統(tǒng)進(jìn)行影像密集匹配，幾乎不需要人工干預(yù)，自動(dòng)匹配的成功率較高，順利完成了300多張無(wú)人機(jī)遙感影像的快速拼接。制作的數(shù)字正射影像圖能夠清晰地反映尾礦庫(kù)周圍的居民點(diǎn)、飲用水源地等環(huán)境敏感對(duì)象，滿足環(huán)境監(jiān)管需要，為環(huán)境應(yīng)急管理提供了重要的支持。

實(shí)踐表明，DPGrid的分布式海量數(shù)據(jù)管理和正射影像處理能夠?yàn)檎溆跋窦庸どa(chǎn)提供一體化解決方案，能夠快速、高效地處理非常規(guī)海量無(wú)人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程、提高作業(yè)效率的目的。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)使用DPGrid處理無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)方法的介紹，表明了該方法的優(yōu)勢(shì)在于采用一體化解決方案、先進(jìn)的數(shù)字影像匹配、高性能并行計(jì)算。在保證一定的精度下，以較少的人工干預(yù)，能夠以最快的速度完成整個(gè)測(cè)區(qū)的處理過程，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率。且對(duì)機(jī)器硬件要求不高，在對(duì)速度要求不高時(shí)一般的工作站即可滿足處理要求，滿足無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)在測(cè)繪方面、環(huán)境事故應(yīng)急和風(fēng)險(xiǎn)防控的需要，為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理市場(chǎng)提供了新的解決方案。

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