无人机遥感影像数据处理原理是通过数字摄影测量的方法进行计算, 即对不同位置获取的具有一定重叠度的2张影像, 通过建立其摄影瞬间投影中心、影像和地物之间的共线方程, 根据地面控制点(ground control point, GCP)的实际坐标, 算出与影像连接点(tie point, TP)对应的地物三维坐标^[7]。在实际处理无人机低空遥感影像数据时, 一般通过成熟的商业软件完成相应计算。

当前, 无人机遥感影像处理软件主要有: DPGird, PixelGrid, DPMatrix, MAP-AT, FlightMatrix, GodWork, Heli-Mapping, Cloud-AT以及GEOWAY for UAV等国内软件, 还有Inpho, Pix4Dmapper, PIEneering, PhotoMOD, LPS, IPS, SSK, Socetset及LISA等国外的软件^[8]。这些软件可以完成内定向、空三加密、生成点云模型、DEM提取、影像纠正与拼接和DOM制作等工作。

随着算法和功能的不断进步, 各类无人机遥感数据处理软件对计算参数要求越来越低, 自动化程度和计算精度不断提升。例如Pix4Dmapper可完全自动地完成整个数据处理过程, 甚至无需无人机的飞行姿态数据即可完成影像处理, 通过自动空三计算原始影像外方位元素, 利用Pix4UAV的技术和区域网平差技术自动校准影像, 还可以无需相机检校和控制点数据, 依据多目视觉影像三维重建技术生成三维模型。Pix4Dmapper可以处理多个不同相机拍摄的影像, 将数千张影像数据合并成一个工程进行处理, 拼接为一个影像, 快速形成成果图(DOM和DSM等)。此外, Pix4Dmapper可自动生成精度报告, 提供定量化的自动空三、区域网平差和地面控制点的精度, 快速和正确地评估结果的质量^[9]。

无人机由于其自重较轻等自身特点的局限性, 存在飞行姿态不够稳定等问题, 导致所获取的影像有旋偏角偏大、影像畸变和重叠度不规则等现象^{[10, 11]}。传统的航空摄影测量数据处理软件处理无人机航摄数据时, 工作量大, 校对程序复杂。本文采用Pix4Dmapper软件进行数据处理工作, 其一般处理流程见图3。

图3

Fig.3

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	图3 无人机影像处理流程Fig.3 Flowchart of UAV image processing

1)原始数据准备。原始数据包括影像数据、POS数据、飞行姿态数据以及控制点数据。需确认原始数据的完整性, 删除质量不合格的影像数据。通过对航带变化处的影像数据进行核对, 将每一组数据与影像对应, 用于数据处理。控制点有助于提升影像精度。控制点必须在测区范围内合理分布, 通常在测区四周以及中间都要有控制点。一般100张相片需要6个控制点左右, 更多的控制点对精度也不会有明显的提升, 但在高程变化大的地方, 更多的控制点可以提升模型精度^[9]。

2)参数设置。进行初始化设置、点云加密设置、数据处理与数据成果设置等, 主要参数包括: 坐标系参数、地理定位参数、相机参数、DSM及DOM生成参数等。

3)计算及处理。完成数据导入、参数设置后, Pix4Dmapper即可自动进行计算, 完成影像重叠匹配、内定向、光束法局域网平差计算以及相机自检校等, 利用生成的DEM数据对无人机影像进行倾斜改正和投影差校正, 完成影像镶嵌、匀色和裁剪等工作, 最终得到调查地区的点云模型、DEM、三维DOM和DSM等^[12]。

点云模型进行插值加密后可生成真实三维模型, 可用于实际地物的任意距离、面积和体积的测量, 见图4。DOM可以采取平面投影和正射投影2种方式生成。平面投影清晰度高, 正射投影位置更准确。对DOM和DEM数据进行合成并经过3D MAX和VRP软件的处理还可得到三维演示模型。

图4

Fig.4

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	图4 三维模型的体积量算Fig.4 Volume measuring of 3D model

周口店地区位于华北板块中部, 是燕山山脉、太行山山脉和华北平原的接壤地带, 是我国传统的野外地质实习基地之一。在实际野外实习工作中, 急需该区域的高精度DOM、三维模型等数据, 为实习人员进行区域整体认知提供依据, 对该地区的遥感地质解译情况与野外观察结论进行对比验证。

本次调查采用的是固定翼无人机平台, 其翼展1.2 m, 起飞重量1.5 kg, 有效载荷300 g; 巡航速度为60~160 km/h, 续航时间不小于1.5 h, 单次飞行时间在40 min以内; 抗风能力大于4级; 搭载三星NX MINI微单相机, 搭配9 mm定焦广角镜头。飞控系统采用Pixhack飞行控制器, 集成了GPS, 惯性测量、无线电传输和遥控器等模块, 自带通用性减震器。地面站采用Mission Planner控制软件, 是可以搭建、配置和调试全功能硬件回路的无人机系统的重要构件, 具有无人机飞行模拟器界面。设置相关参数后, Mission Planner使用Google Maps就可以进行航点输入, 完成航线规划、飞行控制等任务。

选取的飞行测区为位于周口店地质实习基地以东, 面积约12 km²的太平山及其周边地质实习区域。该区位于太行山脉北麓与华北平原接壤处, 海拔为150~300 m, 最高山峰为太平山, 海拔301 m, 相对高差约为150 m。规划2次航线, 东西向和南北向各1航次。考虑到太平山对电台信号的遮挡, 将起飞点设定在2个不同的地区, 太平山的南坡与北坡各一个。相片的重叠度设定为航向重叠度80%, 旁向重叠度60%, 相对航高为300 m, 地面空间分辨率为10 cm。

实际飞行2航次, 飞行任务顺利, 共获取照片800余张, 相片质量良好。采用手持式高精度GPS接收机, 在飞行区域实测控制点28个, 并以在测区内均匀分布为原则从中随机抽取了检查点20个。

采用Pix4Dmapper进行无人机低空影像数据处理, 将获取的影像数据按照3.2节的流程进行了处理。首先, 将影像数据、POS数据以及控制点数据等原始数据进行整理; 然后, 建立工程并导入原始数据, 设置相机文件, 生成航带并采用软件快速处理的方法, 生成初步数据结果和质量精度报告, 用于检查影像匹配情况和相机模型误差(即最初的相机焦距和计算得到的相机焦距相差不能超过5%, 否则需重新设置); 再用像控点编辑器在像片上逐个刺出控制点, 并在完成控制点导入后, 采用软件高精度处理的方法自动完成内定向、光束法局域网平差计算等; 最后, 进行点云及DOM编辑, 依次进行点云模型生成、DEM生成、调整拼接线、投影切换、影像混合、生成DOM, 最终生成空间分辨率为0.2 m的DOM。全部处理过程耗时156 min。

通过Pix4Dmapper处理生成的周口店地区DOM如图5所示, 该影像未经过后期处理。通过目视判读可以看出DOM的拼接效果好, 没有明显的错缝, 色调均匀, 反差适中。

图5

Fig.5

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	图5 周口店地区的正射影像Fig.5 DOM of Zhoukoudian area

将手动测量检查点在DOM(含DEM高程数据)上的三维坐标与野外实测坐标比对, 分析了数据产品的质量, 2种处理方法的误差统计见表1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 周口店无人机遥感影像数据误差统计 Tab.1 Adjustment results of Zhoukoudian UAV data 处理方法 中误差/m 最大误差/m X Y Z X Y Z 高精度处理 0.17 0.16 0.22 0.33 0.36 0.43 快速处理 5.45 6.32 7.29 9.56 10.33 12.44

表1 周口店无人机遥感影像数据误差统计 Tab.1 Adjustment results of Zhoukoudian UAV data

从表1中可以得出, 通过Pix4Dmapper进行高精度数据处理的结果精度较高, 生成的DOM和DEM精度符合GB 23236— 2009《数字摄影测量空中三角测量规范》中对精度的要求, 可以满足常规的地质调查、应急测绘等应用的需要。快速处理的数据精度较低, 最大高程误差达到12.44 m, 无法满足精确三维建模的需求。这主要是因为快速处理未引入地面控制点数据进行纠正, 而无人机飞控系统采集的POS数据精度不够。因此, 快速处理一般在飞行现场进行, 主要起到快速检查的作用, 发现问题可及时纠正, 防止后续室内高精度处理时才发现问题, 丧失补救时机而导致任务失败。

此外, 还可将Pix4Dmapper高精度处理生成的点云模型, 直接应用于周口店地质实习的线路规划与距离测量、矿山开发体量计算与监测等工作, 具有较高的精度、很好的实用性与时效性。