基于UASMaster 的河道正射影像圖制作

施銀迪 SHI Yin-di；閆玉強 YAN Yu-qiang

（①淮安市水利勘測設計研究院有限公司，淮安 223005；②宜興市自然資源和規劃局，無錫 214200）

0 引言

“水是生命之源”，為了保護和改善水資源，智慧水利應運而生，智慧水利的建設成為流域高質量發展的重要路徑。無人機的出現，為大范圍正射影像的制作提供了新的技術手段，為智慧水利的建設提供了高精度的基礎數據。無人機航測是集GPS、無人機技術和攝影測量技術于一體的現代測繪技術[1]，具有快速反應、適用范圍廣、機動靈活、精細準確、作業成本低、生產周期短等特點[2]。無人機航測能快速高效獲取小范圍地區的高分辨率影像，在彌補傳統測繪不足的同時，也能保障數據采集的時效性。

與傳統航空攝影測量不同，無人機航測大多采用非量測型數碼相機，其獲取的影像存在畸變差較大、像幅較小、重疊度不均勻且傾角過大等問題[3]。常用的攝影測量方法難以達到精度要求，且處理過程較為復雜。利用專業處理數字攝影測量軟件UASMaster 對外業采集數據進行處理，具有快速高效，人機交互性強等特點。無人機航拍與數據處理軟件相融合的現代化攝影測量技術，能夠快速建立大范圍的正射影像圖，成為智慧水利的有力支撐。

1 UASMaster 軟件簡介

UASMaster 是Trimble 公司開發的一款無人機數據處理軟件，可以處理任意無人飛行系統采集的數據，包括固定翼、無人機和無人艇等。該系統針對無人機影像數據進行算法改進[4]，包含一鍵式操作獲取結果模式和逐個過程進行人機交互質量控制模式。

UASMaster 在數據處理過程中可以進行質量分析和質量控制，可自動實現空中三角測量、點云與正射影像生成的全自動化處理，精度穩定可靠。利用軟件中提供的各種點云編輯工具對結果進行最優化處理，在DEM、DOM等制作方面有較強的優勢[5]，適用于大比例尺的正射影像制作。

2 測區概況與飛行參數

本次測區以淮安市某河道其中一段為例，測區長約7km，寬約1.5km，整體面積約為10.5km2。測量范圍地勢較為平坦，無較大起伏，樹木遮擋較少，且無高大建筑物。無人機為遠度科技3VS 復合翼無人機，相機焦距36mm，航向重疊度70%，旁向重疊度45%，飛機高度545m。由于無人機飛行受大霧大風等天氣影響，為減少內業處理時間和提高成圖精度，選擇天氣晴朗、風力較小時間短完成。

3 正射影像圖制作過程

正射影像圖制作主要包括前期數據采集和后期數據處理兩個過程，其中前期數據采集包括參數設置、航帶規劃和數據導出，后期數據處理過程主要包括pos 數據格式轉換和UASMaster 數據處理等步驟，最終生成正射影像圖。其中UASMaster 數據處理主要分為三個部分，分別為工程管理、空中三角測量和點云編輯與輸出。具體流程如圖1 所示。

圖1 正射影像圖制作流程圖

在進行正射影像制作前，先對無人機采集的照片數據進行整理檢查，pos 數據進行坐標系轉換，對利用RTK 采集的控制點數據整理。通過前期數據整合，為利用UASMaster 制作河道的正射影像圖打下良好的數據基礎。

利用UASMaster 制作正射影像，首先是對工程項目進行管理。將相機文件、整合后的影像數據、pos 數據和控制點文件導入到新建的工程文件中，并自動生成航帶信息。空中三角測量處理步驟包括連接點提取、控制點量測和平差等步驟。在點云編輯與輸出模塊中，通過手動的方法，對正射影像進行糾正。UASMaster 軟件數據處理具體流程如圖2 所示。

圖2 UASMaster 數據處理流程圖

3.1 空中三角測量

作為正射影像制作的關鍵步驟，空中三角測量將直接影響制圖成果的精度。空中三角測量包括連接點提取、控制點量測、相機檢校與平差和精度檢查。

連接點提取是一個基于特征點的最小二乘匹配過程[6]。UASMaster 中提供了三種方法，即全分辨率、半分辨率與低分辨率。其中全分辨率將提取高達0 級的連接點，但處理時間長；半分辨率提取將在1∶2 級完成，適合大多數項目的默認設置；而低分辨率提取在1∶4 級完成，處理快速，但精度較低[7]。本次實驗將采用默認的方法即半分辨率級別提取連接點，在保證精度的同時也減少實驗處理時間。

控制點量測在UASMaster 中有兩種工作流程，即在連接點提取前或后。在地勢地形較為復雜地區如森林地區、山地等需要穩定連接點匹配時，應預先進行控制點量測。在其他情況下，控制點量測可以在連接點提取完成之后，不利的控制點將不會影響連接點提取。并且在連接點提取之后，地面控制點投影更接近照片中待測量的位置，控制點的量測精度更高。軟件提供三種刺點方法，即手動、半自動和全自動。對于半自動和全自動，應停用金字塔跟蹤，但當點位置不在地面（例如建筑物得角落、極點）且投影到其他圖像上時，可能會失敗。

本次實驗區域存在較多房屋，且部分控制點在房屋檐角并投影到其他圖像上。實驗結果表明，采用手動模式進行刺點，可以得到較好的效果。手動量測如圖3 所示。

圖3 手動控制點量測示意圖

相機檢校與平差提供三種方法，其中First Approxmate 方法可以得到相機的初始畸變模型，沒有內置相機參數的相機必須先進行該步驟；Extensive 方法針對校正后的相機進行；而Refine 則是在Extensive 后，對添加的控制點進行相機檢校[6]。平差完成后，可查看空中三角測量成果精度。如果不滿足相應的精度要求，可重新對地面控制點進行手動量測，重新進行空中三角量測，直至成果滿足相應的精度要求。

3.2 點云編輯與輸出

在空中三角測量結束后，根據地表特征和標準設置好參數，由加密成果自動生成數字地面模型（DTM）[8]。若生成的地面模型結果不理想，出現扭曲變形、地物錯亂等現象，則需要先對DTM 進行編輯，以滿足后續正射影像的精度要求。對于地面模型的編輯，通過將加載的點云保存到數據庫中完成點云數據的編輯。對于待編輯區域，可以在選定區域范圍內對點云數據進行手動按壓處理或者對局部區域的點云數據進行重新生成，可以較好地糾正模型變形問題。對于側邊遮擋較為嚴重區域，可以刪除部分側邊紋理所在照片，并重新生成點云數據，能夠較好地解決遮擋問題。圖4 為變形地物校正前后生成的正射影像對比圖。

圖4 變形點云編輯前后生成正射影像對比圖

對于編輯后的點云數據可以直接生成DOM，軟件可對正射影像進行勻光勻色處理。若影像勻光勻色、圖幅接邊效果不理想，可利用Photoshop 軟件進行細節處理，保證正射影像的視覺效果。由圖5 可以看出生成的正射影像圖整體精度較高，河道位置清晰，河道周圍地物清晰。利用周期性數據能較為直觀地發現河道周圍地物的變化情況，實現河道監測，也可為智慧水利建設系統提供高精度的底圖數據。

圖5 大運河河道局部正射影像圖

4 UASMaster 制作正射影像圖的優勢與不足

UASMaster 操作界面非常直觀，具有完全自動化的圖像處理過程。其優勢主要表現為以下幾方面：①專業要求不高，不具備專業知識的用戶也能按照用戶手冊獲取高精度成果。②可以處理任意無人飛行系統獲取的數據，涉及面廣、普適性強。③數據處理快、工作效率高，節約時間。④處理得到的數據成果簡潔直觀、精度高。

但邊界處圖像質量較差，局部缺損較多。后期需要對正射影像圖進行裁剪等處理。也可以在前期數據采集時，擴大實驗區域范圍，減少邊界處對區域范圍內的影響，避免后期裁剪步驟。

5 結論

本文通過對某一河道進行無人機攝影測量，利用UASMaster 軟件對影像數據進行處理，生成了正射影像圖。通過對正射影像圖精度檢查發現其精度滿足日常工程的管理需求，進一步驗證了利用UASMaster 軟件生成的正射影像圖作為智慧水利建設基礎數據的可靠性。隨著攝影測量技術與無人機技術應用的逐漸廣泛，將探索解決目前存在的問題或弱化缺陷的方法。研究制作更高精度的正射影像圖，為智慧水利的發展提供強有力的數據支持如分層過多，可靈活掌握。無人機與軟件的結合將為我國智慧水利建設注入新鮮活力，為水利工程的建設和管理提供更便捷、更智能的手段，有利于實現水資源的高效利用和水利工程的智能化管理。