無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理分析

董明廣

[摘 要]隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，經(jīng)濟建設項目逐漸增加，衛(wèi)星遙感技術和航空航天遙感技術不斷發(fā)展。目前，無人機遙感影像系統(tǒng)在多領域的應用具有重要作用。文章通過分析無人機遙感影像的獲取方法，指出了后續(xù)的相關問題，并提出了相應的對策，為無人機使用提供經(jīng)驗和參考。

[關鍵詞]無人機遙感;影像獲取;后續(xù)處理

0? ? ?引 言

目前，無人機遙感技術是在航空遙感技術領域不斷發(fā)展的一門新型技術。無人機遙感具有許多優(yōu)點，如自身任務的靈活性較高、經(jīng)濟效益低、成本較低。不僅專業(yè)機構(gòu)進行科學研究或管理時使用無人機進行偵測和監(jiān)察，無人機的使用還深入日常生活的方方面面，如大到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)藥的噴灑，地理研究中自然災害發(fā)生情況的勘察、地質(zhì)勘探研究、地圖修改的測量測繪，小到交通安全的日常監(jiān)測、油田配電網(wǎng)巡檢、油田無人機熱成像管道巡檢、無人機的航拍、跟蹤測定等。無人機在日常生活和各行各業(yè)中均有應用，但目前仍處于起步階段，還未形成完善的應用體系。無人機應用于遙感測定系統(tǒng)具有靈活性高、能夠及時響應任務的優(yōu)點，可以在具有較大風險的項目中起到航拍飛行的作用，且普通用戶也有能力承擔無人機的使用費用。但無人機應用于遙感系統(tǒng)也存在很多缺點，如無人機的抗震性能和實際荷載的體積均有嚴格的限制標準，不能執(zhí)行要求較高的任務。采用無人機拍攝的影像和傳統(tǒng)的航天航空影像不同，在后續(xù)處理時也存在較大區(qū)別。基于此，本文主要探討了無人機遙感影像的獲取和后期數(shù)據(jù)分析處理，為無人機影像獲取提供建議。

1? ? ?無人機遙感系統(tǒng)的平臺構(gòu)成及影像獲取

1.1? ?平臺構(gòu)成

研究所目前使用的無人機主要由3個模塊組成：無人機的平臺、相機子系統(tǒng)和空中遙感控制系統(tǒng)。這種無人機可以在150～2 500 m的高度區(qū)間飛行，飛行跨度的區(qū)域比較大。無人機的遙感系統(tǒng)主要分為地面、空中和數(shù)據(jù)后處理三部分。地面部分需要規(guī)劃航空軌跡、加強地面控制以及接收、處理信息等;空中部分主要為遙感傳感的子系統(tǒng)，由子系統(tǒng)以及無人機平臺組成;數(shù)據(jù)后處理部分包括影像數(shù)據(jù)的預覽和影像數(shù)據(jù)的后處理。而一般小型無人機的遙感系統(tǒng)主要由七部分組成：第一部分包括無人機的主體、電力裝置執(zhí)行設備在內(nèi)的數(shù)據(jù)獲取平臺;第二部分包括飛機的控制和導航;第三部分為地面監(jiān)測信號發(fā)射接收裝置的相關系統(tǒng);第四部分是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是空中和地面連接的重要裝備，這樣能保證飛機在傳輸運轉(zhuǎn)過程中實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的影像;第五部分是發(fā)射回收系統(tǒng)，能夠輔助無人機的降落和飛翔;第六部分是任務執(zhí)行系統(tǒng)，能夠控制攝像機和云平臺;第七部分是在地面上保障影像獲取工作的設備，主要包括電路板。

1.2? ?影像獲取

無人機進行試驗飛行，針對不同地貌進行測試和試驗。在試驗過程中，第一次試驗主要為了驗證無人機遙感系統(tǒng)的成像能力;第二次試驗需要按照前期規(guī)劃的路線全程拍攝，規(guī)劃路線包括子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取、傳輸以及影像存儲;第三次試驗是改正前兩次發(fā)現(xiàn)的問題。

2? ? ?無人機遙感影像的后續(xù)處理分析

2.1? ?無人機遙感影像質(zhì)量評價

無人機的遙感系統(tǒng)拍攝出來的圖像會受飛機的姿態(tài)角、控制點的精度等因素的影響。在處理過程中，先對影像進行質(zhì)量評價，在評價時要根據(jù)遙感的一般要求調(diào)整橫向的重疊率，使其不能低于53%，旁向重疊率最小不能低于15%。在飛行過程中，天氣因素也會直接影響航空圖像的質(zhì)量，所以在獲取數(shù)據(jù)時，要根據(jù)航向的重疊率和旁向重疊率進行處理。航帶的彎曲度也會影響航向的重疊度和旁向重疊度，如果彎曲超過限度，可能出現(xiàn)航拍漏洞，所以航拍彎曲度不能超過3%。在拍攝時還要考慮飛行相片的旋角，這個旋角是相片上相鄰的主點連線和同一方向內(nèi)框標連線之間的夾角，通常由攝像時相機定向不準確導致。在航行過程中，涉及的航帶飛行航線不能太短，否則不能為航行時姿態(tài)和位置的調(diào)整預留足夠的時間，橫向的航跡角容易出現(xiàn)較大偏差，導致傾斜角較大。而傾斜角的改變會影響航線和拍攝的圖像，使飛行拍攝的圖片較難拼接處理。但是，相關單位可以選擇穩(wěn)定的平臺，將拍攝相片的旋轉(zhuǎn)角控制在5%以內(nèi)，以滿足基本的圖像攝像要求，改進圖像的拼接處理工作。在這種條件的控制下，相關單位可以基本達到飛機姿態(tài)的遙感運行要求。

利用無人機采集影像并進行影像處理的工作主要從以下幾方面進行。第一，糾正數(shù)碼相機鏡頭非線性畸變。第二，糾正飛行過程中由于姿態(tài)的變化而引起的圖形旋轉(zhuǎn)和影像之間的誤差。在獲取圖像時，可以通過野外的控制位點調(diào)整相機的參數(shù)，保證獲取圖像后能夠進行單幅糾正，對拍攝的區(qū)域通過比例尺圖選取控制位點，并對拍攝的測量方法進行幾何糾正。第三，在原來的圖像基礎上采取正射影像糾正圖像。第四，依賴航行的系統(tǒng)定位相機。無人機攝像系統(tǒng)在采集遙感影像過程的缺點是無框標、定向不準確以及沒有地理參考。影像上增加通用墨卡爾投影的信息，可以使處理的影像變小，通過高分辨的影像，將底圖放入網(wǎng)格進行糾正。其通過全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），加入人為因素的拼接，可以進行地面定位，將照片合成大圖。無人機的遙感系統(tǒng)在處理影像時，可以根據(jù)測算的不同位置測試精度。對于單張相片的信息和數(shù)據(jù)糾正，應選取多組不同的地面控制點，拼接后通過橡皮條拉伸糾正標志性建筑，以便用于精準分析影像。如果地面區(qū)域較小，則誤差相對增大。

2.2? ?無人機遙感影像后續(xù)處理

2.2.1? ?勻色與裁邊

通過觀察影像的照片可以發(fā)現(xiàn)，航天和航帶之間的顏色和明暗度均存在較大的差異，其原因可能是天氣，也可能是航空拍攝過程中無人機遙感系統(tǒng)的射擊相機出現(xiàn)了問題。所以需要在原始的影像上進行勻色處理，在勻色時需要注意顏色的反差，灰度、紋理的變化，要保證勻色后圖像能夠過渡自然。同時，可以利用影像的裁剪軟件和系統(tǒng)裁剪邊緣地區(qū)無關的影像信息。

2.2.2? ?影像重疊度的計算與同名點自動量測

在進行影像重疊度測算時可以獲得大量的同名點，相鄰的影像之間匹配點大概有400多個。在重疊區(qū)部分需要滿足重疊度計算和區(qū)域平均差等方面的要求。在自動測量完成后，根據(jù)坐標值確定實際的重疊度。只有重疊度滿足橫向重疊68%～75%，旁向重疊滿足35%～40%，才能達到后續(xù)處理的要求。

2.2.3? ?拼接全景圖影像的處理

在全景影像圖和正射影像圖處理過程中，無人機需要根據(jù)地面控制點的數(shù)據(jù)進行快速匹配，形成同名點快速生成拼接圖。快速拼接圖要求并不嚴格，在相鄰的區(qū)域可能會出現(xiàn)截邊誤差，在拼接過程中個別景象可能會出現(xiàn)錯位，通過拼接圖可以分析區(qū)域內(nèi)漏拍的現(xiàn)象。在“5·12”汶川大地震發(fā)生時，為了獲取受災情況的數(shù)據(jù)，采用這種方法能夠快速響應地震等自然災害。但是，在環(huán)境監(jiān)測等對影像要求較高的正射影像的生成需要進行精度檢測。

空中三角測量生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）正射影像圖之后，通過測定方位元素，使影像的匹配能夠出現(xiàn)較多的離散三維微點，通過人機交互的形式獲得正射影像。在獲得正射影像之后還需要調(diào)整精度，隨機抽取地面的檢測控制點，將檢測結(jié)果列成正射影像精度檢查表，同時對檢測點進行編號，記錄坐標差和坐標的偏移量，以有效分析正射影像的精度。另外，還可以根據(jù)實驗結(jié)果再次分析影像處理后應用的可能性。

2.2.4? ?低空遙感影像的匹配

在無人機進行有效匹配過程中，主要由計算機進行操作，模擬人進行立體的觀察。尋找同名點是低空遙感影像處理過程中較為關鍵的一個程序。低空遙感圖像的匹配存在許多問題，例如，匹配過程中自動化的程度較低，在匹配時還需要進行人工干預。單純依靠計算機程序進行匹配，在沒有人工干預的情況下，還需要進一步優(yōu)化。低空遙感影像在匹配過程中，由于計算層面存在較大的缺陷，匹配的精度有待提高，在進行信息匹配的過程中，可能會出現(xiàn)多元信息的匹配。由于遙感影像信息本身具有多元性，給低空遙感影像的匹配增加了一定的難度，除了難度增加以外，匹配的速度還需要提升。低空遙感影像數(shù)據(jù)隨著計算機的發(fā)展在不斷增加，匹配主要利用相關函數(shù)關系，尋找它們之間的相似結(jié)構(gòu)，通過數(shù)學定義測算影像的坐標位置和映射的變換。在匹配時還要監(jiān)測遙感影像匹配的測度，通過函數(shù)關系和相關系數(shù)以及協(xié)方差函數(shù)計算。從匹配策略角度考慮，可以匹配分配的層次，將低空遙感影像作為一個統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體，在若干信息處理過程中，對全局進行分析以后，通過結(jié)構(gòu)信息對每一層的影像進行詳細的分析和融合，最終將視差圖進行一致性檢測。檢測時，應該從粗測到精細測量。利用金字塔匹配的策略將影像變成金字塔結(jié)構(gòu)，從底層開始，相鄰像素之間重新采樣后形成新的像素，直到形成金字塔的最頂尖。匹配的策略還有全局最優(yōu)匹配，從全局的角度考慮，從灰度和影像的特征進行匹配。除此之外，還有多約束性條件的匹配，包括相容性的約束、唯一性約束、核線的約束、相似性約束和多基元匹配策略。

3? ? ?結(jié) 語

無人機的遙感影像處理需要綜合考慮多種因素，相關研究人員需要進行地面、空中設備的調(diào)試和處理，并根據(jù)基礎成像原理和圖像處理技術分析和比較各種技術，通過恢復和改善影像獲取的設備，優(yōu)化技術，使影像變得清晰，從而更準確、更科學、更逼真地還原影像背后的數(shù)據(jù)信息，為相關行業(yè)的發(fā)展提供技術支持。

主要參考文獻

[1]洪宇，龔建華，胡社榮，等.無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J].遙感技術與應用，2018（4）：462-466.

[2]馮文灝.近景攝影測量：物體外形與運動狀態(tài)的攝影法測定[M].武漢：武漢大學出版社，2002：227-228.

[3]張永軍.無人駕駛飛艇低空遙感影像的幾何處理[J]，武漢大學學報，2017（3）：284-288.

[4]晏磊，呂書強，趙紅穎，等.無人機航空遙感系統(tǒng)關鍵技術研究[J].武漢大學學報，2004（6）：189-190.