基于LPS的無人機(jī)水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化

楊　愷

（陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心陜西西安710004）

基于LPS的無人機(jī)水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化

楊愷

（陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心陜西西安710004）

常規(guī)的LPS處理流程對外方位元素精度要求較高，且自動生成同名點匹配精度不高及人工篩選工作量大，D TM及正射影像結(jié)果精度難以掌控。本文提出的航測數(shù)據(jù)處理優(yōu)化方案可有效修訂PO S數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差，提高匹配精度；在第一次優(yōu)化基礎(chǔ)上可減少人工篩選同名點工作量，提高整體空三解算控制點精度；對因裁剪線問題引起的圖斑缺失、錯位、扭曲等現(xiàn)象也進(jìn)行了改進(jìn)，提高了正射影像自動拼接效果和精度。

無人機(jī)；低空航測；水土保持監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理；LPS

1　無人機(jī)水土保持監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀

無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）或稱無人飛機(jī)系統(tǒng)（Unmanned AircraftSystem，UAS）是指由遙控或者自動駕駛技術(shù)，進(jìn)行科學(xué)觀測及偵查等任務(wù)的飛行載具。目前，民用無人機(jī)航測的用途被逐漸開發(fā)出來，包括農(nóng)作物的航測，林業(yè)普查、水土保持監(jiān)測、小范圍高精度測量、搜索和救援行動、檢查線路和管道、野生動物的觀察等［1-3］。與傳統(tǒng)航測相比較，具有操作成本低、運用彈性大及支援裝備少等特性。

無人機(jī)遙感作為遙感科技的重要組成部分，在水土保持監(jiān)測中的作用和優(yōu)勢逐漸顯露，其快速獲取流域地形地貌、植被狀況、治理措施質(zhì)量數(shù)量、水土保持效益監(jiān)測、淤地壩面積及其淤積數(shù)量等方面監(jiān)測的優(yōu)勢尤為突出，國內(nèi)各流域機(jī)構(gòu)監(jiān)測中心、省級監(jiān)測總站以及市級監(jiān)測分站均在監(jiān)測工作中逐步配備無人機(jī)監(jiān)測設(shè)備，用于水土保持監(jiān)測。但無人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)量大，工作周期長，精度難于掌控等因素，限制了無人機(jī)航測在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用。本研究利用臨渭區(qū)萇溝流域無人機(jī)數(shù)據(jù)，在基于LPS處理方法，優(yōu)化處理方法，提高數(shù)據(jù)處理精度，縮短處理周期上探索和改進(jìn)處理方法，以期能使無人機(jī)航測在水土保持監(jiān)測領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展。

2　LPS航測數(shù)據(jù)處理概述

LPS（Leica Photogrammetry Suite）是徠卡公司推出的數(shù)字?jǐn)z影測量及遙感處理軟件系列。LPS為影像處理及攝影測量提供了高精度及高效能的生產(chǎn)工具。它可以處理各種航天（最常用的衛(wèi)星影像包括QuickBuid、IKONOS、SPOT5、LANDSAT等等）及航空（掃描航片、ADS40數(shù)字影像）的各類傳感器影像定向及空三加密，處理各種數(shù)字影像格式，黑白、彩色及多光譜、高光譜等各類數(shù)字影像。LPS的應(yīng)用還包括矢量數(shù)據(jù)采集、數(shù)字地模生成、正射影像鑲嵌及遙感處理，它是第一套集遙感與攝影測量在單一工作平臺的軟件系列［4］。LPS無人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理的常規(guī)流程如圖1所示。

圖1　LPS航測數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)流程

LPS在數(shù)據(jù)處理過程中具備自動化程度高、工作效率突出的特點，但是受數(shù)據(jù)精度、算法結(jié)構(gòu)等諸多因素影響，實際操作過程中仍存在以下問題：一是無人機(jī)作業(yè)采集的外方位元素（以下簡稱pos數(shù)據(jù)）存在較大誤差時，不能自動匹配同名點［5］；二是人工篩選同名點工作量大，誤刪和漏刪同名點時常發(fā)生，不能保證影像同名點數(shù)量和精度；三是受自動生成同名點分布影響，正射影像拼接時裁剪線不規(guī)整，拼接影像有缺失、錯位、扭曲等現(xiàn)象。上述存在的問題作為制約成果質(zhì)量的因素亟待解決。

3　優(yōu)化方案與案例分析

萇溝小流域位于渭南市臨渭區(qū)厚鎮(zhèn)，流域面積20km2，屬秦嶺北麓低山丘陵區(qū)，是陜西省水土保持及水土保持監(jiān)測示范基地。獲取該區(qū)域低空航測影像及地形信息可對各類設(shè)計和施工提供高精度的數(shù)據(jù)支撐。

筆者處理萇溝小流域航攝影像（240幅）時發(fā)現(xiàn)，在一個LPS標(biāo)準(zhǔn)處理流程中加入POS數(shù)據(jù)修訂、二級優(yōu)化及裁剪線優(yōu)化等操作后，可有效提高成圖質(zhì)量，保障成果后期應(yīng)用。如圖2所示。

圖2　LPS航攝影像處理優(yōu)化方案

3.1POS數(shù)據(jù)修訂

無人機(jī)高速作業(yè)過程中受氣流影響，單次曝光時飛行姿態(tài)不穩(wěn)，導(dǎo)致捕獲的POS數(shù)據(jù)可能存在一定系統(tǒng)誤差（集中體現(xiàn)在跨行帶間俯仰及翻滾角上），影像拓?fù)浞秶c實際成像范圍會產(chǎn)生偏移，極大降低同名點生成的準(zhǔn)確率。

實際處理過程中，可利用第三方空間軟件，計算出拓?fù)淦屏浚瑥亩瓿筛┭黾皺M滾角率定：選取航向正交方向單行影像，以相鄰兩幅影像為一調(diào)整單元進(jìn)行人工對準(zhǔn)（以奇數(shù)航帶影像為基準(zhǔn)調(diào)整偶數(shù)航帶影像），通過如下公式即可完成率定。示意見圖3。

圖3　校準(zhǔn)示意圖

式中：ω（φ）——俯仰（橫滾）偏移角；α——視角與大地平面夾角；h——飛行航高；

X（Y）——影像覆蓋幅寬；Δx（y）——X（Y）軸偏移量。

3.2二級優(yōu)化

LPS依托同名點進(jìn)行空三結(jié)算后，通過判讀同名點均方根誤差（RMSE），可剔除誤差較大的同名點以提高整體精度。由于軟件自動生成的同名點數(shù)量巨大，且誤差規(guī)律不明顯（部分同名點的RMSE數(shù)值與其精度無必然聯(lián)系），導(dǎo)致人工判讀難度增大，判讀效率低下，數(shù)據(jù)加工周期長，精度難以保證。

實際處理過程中，在軟件自動生成同名點后，通過合理設(shè)置迭代次數(shù)以及期望誤差值進(jìn)行空三結(jié)算，剔除明顯錯誤的同名點，即可接受此次空三結(jié)算結(jié)果。依托軟件接受優(yōu)化后的POS數(shù)據(jù)，舍棄第一次生成的同名點，重新完成自動同名點匹配（稱二級優(yōu)化），二級優(yōu)化匹配的同名點RMSE數(shù)值會處于較低范圍且誤差呈明顯規(guī)律性分布（錯誤同名點的RMSE數(shù)值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均值），極大降低了人工判讀難度，同時提高了數(shù)據(jù)處理工作效率和精度。本研究所應(yīng)用的240副影像處理，在采用一級處理方案，并經(jīng)過35小時的數(shù)據(jù)篩選后，生成的DTM仍有部分區(qū)域出現(xiàn)異常噪聲點，而采用二級優(yōu)化后，僅經(jīng)過9小時的同名點篩選后，生成的DTM結(jié)果明顯光滑，且地形分布合理。一級處理與二級優(yōu)化后空三解算DTM對比如圖4所示。

3.3裁剪線優(yōu)化

影像鑲嵌拼接之前，系統(tǒng)會根據(jù)影像分布狀況自動生成裁剪線（seamline）。由于同行帶、跨行帶之間的影像重疊范圍不盡相同，且因個別區(qū)域同名點分布不均等因素，生成的裁剪線可能出現(xiàn)異常（分布不均、裁剪線凌亂及部分影像未裁剪等現(xiàn)象），導(dǎo)致拼接的整幅影像會缺失個別斑塊，或部分區(qū)域影像拼接出現(xiàn)錯位、扭曲等現(xiàn)象，影響航測正射影像成果完整性。

本研究實際處理過程中，在完成裁剪線生成工作后，可根據(jù)目視判讀，人工剔除裁剪線異常影像，且保證拓?fù)潢P(guān)系下影像覆蓋作業(yè)范圍，重復(fù)操作直至裁剪線排列規(guī)整，即可自動拼接色彩均衡、影像完整且精度較高的正射影像結(jié)果，裁剪線優(yōu)化前后對比如圖5所示。

圖4　一級處理與二級優(yōu)化DTM結(jié)果對比

圖5　裁剪線優(yōu)化前后對比

4　結(jié)語

在萇溝小流域航測影像處理過程中，較常規(guī)數(shù)據(jù)處理，本研究采用的數(shù)據(jù)處理方案，可通過人工計算分析，修訂pos數(shù)據(jù)，解決因無人機(jī)pos數(shù)據(jù)誤差較大，無法完成同名點空三解算的問題，同時提高了同名點配對精度；通過二級優(yōu)化不僅能提高同名點配對精度，而且可使各同名點誤差呈規(guī)律性分布，便于人工刪選，縮短數(shù)據(jù)處理周期，提高數(shù)據(jù)處理人員工作效率，也能極大的提高DTM解算精度，為下一步生成高精度正射影像奠定基礎(chǔ)；優(yōu)化裁剪線避免正射影像錯位、扭曲、不完整等現(xiàn)象，保證了正射影像質(zhì)量。該航測影像數(shù)據(jù)處理優(yōu)化方案可為水土保持區(qū)域監(jiān)測提供高實效、高精度的本底數(shù)據(jù)。陜西水利

［1］范承嘯，韓俊，熊志軍，趙毅.無人機(jī)遙感技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用［J］.測繪科學(xué)，2009，05:214-215.

［2］謝濤，劉銳，胡秋紅，姚新.基于無人機(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科技，2013，04: 55-60+64.

［3］李德仁，李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2014，05:505-513+540.

［4］魯云飛，趙紅穎，劉大平，晏磊.？基于幾何矩預(yù)分類的無人機(jī)遙感圖像自動配準(zhǔn)方法［J］.影像科學(xué)與光化學(xué)，2011，06:438-448.

［5］李玉霞，童玲，劉異，何磊.缺少控制點的無人機(jī)遙感影像幾何畸變校正算法［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2013，03:75-80.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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