無人機航攝自動化處理系統設計

尚海興

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在軟硬件技術日新月異的發展推動下，應對面積大、工期緊、實測成本高的大比例尺地形圖測繪任務，低成本、高效靈活的無人機航測手段已然成為主要測繪方案[1-4]。航測高精度后處理軟件已經趨于成熟，而適用各類型框幅式傳感器的無人機航攝設計、成果整理發布的自動化和標準化、輔助像控設計、輔助空三整理等功能暫時無成熟商業軟件可用。無人機航攝數據采集、數據整理與質量評價、數據格式轉換、航攝成果標準化歸檔、輔助像控設計與輔助空三整理等工序往往均采用人工逐步整理，數據格式無法實現批量標準化整理，航攝成果質量無法快速評估，容易造成航攝漏洞，復飛返工的經濟成本和實際成本較高[5]。為讓航攝人員簡易規范地提交一套航外人員使用方便、航內空三加密人員操作舒心的航攝數據，開發一套高效銜接航攝與航內空三加密工序的無人機航攝自動化處理系統很有必要。

1 系統分析與設計

1.1 系統分析與數據庫設計

為方便系統管理和后期維護，整個系統文檔和屬性數據采用數據庫管理方式，海量影像數據采用文件存儲、軟件調用方式管理，以項目為基本單元進行航攝項目系統管理。

無人機航攝自動化處理系統主要包括：項目管理、嚴密航線設計、像控點精度估算、飛行監控、航攝影像質檢、航攝數據跨平臺轉換、航攝成果自動歸檔等主要功能。其主要特色有：① 嚴密的航線設計模塊。根據測區地形和范圍、航攝質量與測圖精度估算，模塊內的相機庫涵蓋了大型專業航攝儀、主流無人機航攝儀、大疆旋翼航攝系列相機及用戶自定義相機等22款相機參數，便于行業推廣。② 航攝影像的快速質檢功能。根據現場快拼的質檢報告來評估是否補飛復飛。③ 航攝數據跨平臺轉換功能。可方便航外像控點可視化布設及內業空三快速添加像控點。④ 航攝成果庫管理與快速標準化提交與歸檔。基于上述功能分析，系統構架如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

數據庫系統建設是航攝項目資料提交、歸檔、查詢、管理的重要支撐。主要的數據表有：① 航攝飛行記錄表。記錄飛機工作狀態。② 項目信息表。結合測區范圍矢量信息和航攝飛行記錄表用于項目航攝資料歸檔管理與查詢。③ 航線設計信息表。用于生成制式航攝技術設計報告。④ 影像質量信息表。結合航線設計信息表共同生成航攝技術總結報告。

1.2 系統功能模塊

1.2.1 項目管理

新建項目后，系統會建立制式工程文件夾，根據項目ID寫入項目管理數據庫文件。飛行前，同時將航線設計信息寫入庫文件。航攝后，加載航攝原始影像信息，進入航攝影像快速質檢與跨平臺轉換，同時進行像控點可視化布設。航攝任務結束后輸出工程檔案自動進行完整資料歸檔，歸檔資料均為自動和標準制式報告，大幅減少人工整理工作量，降低出錯概率。

1.2.2 航線設計與航飛輔助監控

航線設計最為關鍵是根據攝區地形條件和傳感器參數(航攝相機)計算最佳航攝飛行高度、航線間隔、相機曝光間隔、最低和最高點分辨率、最大和最小重疊度、像片數估算等航攝參數，這些參數是安全飛行和航攝質量達標的關鍵參數，是測繪成果精度控制的重要環節。

航飛輔助監控主要目的是在無人機起飛后地面系統接收自駕系統實時回傳信號，根據飛機的飛行參數設置航油、航電、航時的安全閾值，確保飛機在最大的影像獲取效率下安全返航。

1.2.3 航攝影像質量檢查

無人機航測外業數據質檢的功能是在飛行后，即時檢查飛行成果是否合格。軟件可根據機載差分GNSS或概略POS位置和原始影像。對原始影像進行降采樣處理后的金字塔影像，使用數字航攝影像快拼技術[6]，直觀展示飛行成果信息，及時發現漏片漏POS點的情況；自動計算影像間重疊度，檢查飛行成果的重疊度(旁向和航向)是否合格；并輸出飛行質量成果檢查報告，用戶可據此判斷飛行成果是否符合要求，是否需要補飛或重飛，可有效降低外業航攝周期和成本。

1.2.4 像控點精度估算與基線間隔

像控點的布設方案與航線設計方案息息相關，當航線確定后，依據測區范圍、實際地形起伏和相機參數，合理計算后確定最佳基線間隔，其目的是：在能確保空三加密精度(包括平面和高程精度)達標前提下，最大限度減少外業像控點布設密度，從而降低成本，加快工程進度，提供作業效率。

1.2.5 影像預處理

當前市場絕大部分無人機可見光航攝相機均采用非量測型相機，鏡頭存在畸變差，它會嚴重影響空三匹配精度，使得模型上下視差和模型接邊差很大，測繪成果無法達到航測規范精度要求。該模塊可根據相機檢校參數對原始影像進行嚴密的畸變誤差糾正，使空三精度滿足航測內業規范精度要求。該模塊可批量實現各影像格式轉換和降采樣處理，為快拼匹配做預處理。

1.2.6 跨平臺格式轉換

航攝成果是為航測內業空三加密流程服務，系統可根據自駕儀原始POS格式進行坐標系統、航攝影像格式和命名等數據接口之間的轉換，確保航內人員可簡潔、直觀地進入空三程序。跨平臺POS格式轉換也可用于像控點布設方案可視化調整。

1.2.7 航攝數據歸檔與航攝報告自動生成

航攝數據歸檔依據國家規范制定無人機航攝資料歸檔模板，程序根據對應航線設計方案、質檢報告和整理后的文檔、影像資料自動生成航攝報告，實現自動化、標準化資料報告歸檔。

2 系統實現與應用

為實現上述功能，筆者采用Microsoft Visual Studio編譯平臺，運用Visual C++的MFC微軟基礎類庫進行程序設計與開發，產品以互動性友好的對話框方式實現人工交互與各數據平臺數據接口轉換。程序在設計之初對國內外無人機航攝市場進行了廣泛調查，軟件內涉及的航攝相機型號與參數、自駕儀數據格式、數據產品輸出接口格式適用于市場眾多主流型號，同時開放了自定義參數設置，軟件具備較強的行業推廣應用價值。

圖2 主流航攝相機庫圖

2.1 航線設計

航線設計主要依據航高與地面分辨率關系和相機參數推算航攝參數，相機庫包含了市場大部分航攝相機參數，如圖2所示。程序設計需要考慮現有市場各款主流相機參數、航線安全飛行高度過低警告、最低點分辨率過低警告、最高點航向/旁向重疊度不足警告及誤操作彈窗警示。航高與地面分辨率計算關系為：

(1)

式中：h為相對航高，m；f為鏡頭主距，mm；a為像元大小，mm；GSD為地面分辨率，m。

2.2 航攝影像質量檢查

軟件可根據機載差分GNSS或概略POS位置和原始影像，直觀展示飛行成果信息，及時發現漏片丟POS數據的情況；自動計算影像間重疊度，檢查飛行成果的重疊度(旁向和航向)是否合格；并輸出飛行質量成果檢查報告，用戶可據此判斷飛行成果是否符合要求，是否需要補飛或重飛。影像質量檢查基于無人機影像快拼技術，加載原始影像和POS文件，計算各片的重疊度，在快拼圖中疊加重疊度信息標識，并自動輸出質檢報告。質檢功能、重疊度計算與標識如圖3所示。

2.3 像控點精度估算與基線間隔計算

像控點的布設方案與航線設計方案相關，當航線確定后，參照航攝規范[7-8]、測區地形實際起伏和相機參數，合理計算后確定最佳基線間隔。像控點航向基線數跨度估算公式如式(2)和式(3)所示，像控點精度估算與基線間隔計算如圖4所示。

用戶需要導入測區范圍和加載全球DEM，根據測區所需技術指標，輸入對應參數，系統會自動計算出“航高”和“航向重疊度”，用戶如需提高精度可以手工修改。點擊“自動布點”按鈕可以輸出自動布點文件，在Google Earth環境下打開自動布點文件可視化布設像控點和點位密度優化。

(2)

(3)

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

圖3 重疊度計算與標識圖

圖4 像控點布設與精度估算圖

圖5 POS文件一鍵快速整理與坐標轉換圖

2.4 影像預處理與跨平臺格式轉換

針對無人機搭載的非量測型航攝儀，根據相機檢校參數對原始影像進行嚴密的畸變誤差糾正是第一步預處理，立體測圖階段可有效消除立體模型上下視差，是測圖高程精度達標的關鍵步驟。系統支持北京普洛特UP系列、成都縱橫系列等主流自駕儀原始POS格式的坐標轉換、影像格式轉換、影像文件批命名，確保航內人員可簡潔、直觀地進入空三工序。POS文件一鍵整理與坐標轉換功能如圖5所示。不同的攝影測量工作站需要的影像格式各有不同，有時為提高匹配效率，需要多次匹配，需要降采樣影像；調繪片制作也需要重采樣影像并轉換格式沖印，該功能可以實現批量自動轉換。

2.5 航攝數據歸檔與航攝報告自動生成

航攝數據歸檔依據文獻[8-9]制定無人機航攝資料歸檔模板，基于程序把相關航線設置和整理后的資料進行航攝報告自動生成，減少航攝人員大量人工整理時間，并使得歸檔資料和航攝報告的標準化批量輸出，軟件輸出的制式歸檔資料清單模板見圖6。

圖6 歸檔資料清單模板圖

3 結 語

軟件在實際生產中經航內和航外人員持續測試與修改，累計航攝生產優于0.18 m高分辨率低空遙感影像近10 500張，航攝測制大比例尺地形圖(1∶2 000)面積約1 200 km2。無人機航攝自動化處理系統以航攝工程為基本管理單元，基于數據庫管理方式實現無人機航線設計、飛行監控、數據自動整理與質檢、數據格式轉換、像控點自動布點優化、航攝數據跨平臺轉換、航攝成果標準化歸檔等功能，有效銜接航外工作和航內空三工序，大幅降低航攝成本，明顯提升航攝效率，實現了航攝產品提交和歸檔的標準化。軟件涉及的航攝相機型號與參數、自駕儀數據格式、數據產品輸出接口格式適用于市場諸多主流硬件和航測軟件銜接，同時開放了自定義參數設置，軟件具備較強的行業推廣應用價值。