從一鍵快拼到高精度測(cè)繪——航天遠(yuǎn)景無人機(jī)綜合處理新方案

1 無人機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)和天氣條件的依賴性大、成本高、航攝周期長，造成了數(shù)據(jù)獲取能力不足，無法滿足我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)及空間信息服務(wù)的需求，因此急需新的遙感技術(shù)為日益發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和文化事業(yè)服務(wù)。以無人駕駛飛機(jī)為空中遙感平臺(tái)的技術(shù)，正是適應(yīng)這一需要而發(fā)展起來的一項(xiàng)新型應(yīng)用性技術(shù)，能夠較好地滿足現(xiàn)階段我國對(duì)航空遙感業(yè)務(wù)的需求，對(duì)陳舊的地理資料進(jìn)行更新，從而充分保障數(shù)字中國、數(shù)字城市建設(shè)的空間信息的需求。

無人機(jī)遙感系統(tǒng)多使用小型數(shù)字相機(jī)(或掃描儀)作為機(jī)載遙感設(shè)備，與傳統(tǒng)的航片相比，存在像幅較小、影像數(shù)量多等問題，因此需要針對(duì)其遙感影像特點(diǎn)以及相機(jī)定標(biāo)參數(shù)、拍攝姿態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)幾何模型對(duì)影像進(jìn)行幾何和輻射校正的軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互式處理，同時(shí)還需影像快速拼接、影像質(zhì)量以及飛行質(zhì)量的快速檢查和數(shù)據(jù)快速處理軟件，從而滿足整套系統(tǒng)實(shí)時(shí)、快速的技術(shù)要求。

2 航天遠(yuǎn)景無人機(jī)綜合處理新方案

隨著國內(nèi)無人機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)的逐漸升溫，航天遠(yuǎn)景在無人機(jī)影像后處理方面也投入了大量的人力、物力，圍繞無人機(jī)高精度測(cè)繪和快速處理兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開研究。目前已掌握針對(duì)無人機(jī)大旋偏角影像的自動(dòng)匹配技術(shù)、高精度空中三角測(cè)量技術(shù)以及影像圖快拼技術(shù)等一系列核心技術(shù)，并在國內(nèi)首次推出便攜式的相機(jī)檢校軟件，使得無人機(jī)用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行相機(jī)檢校成為可能。特別在2014年10月，航天遠(yuǎn)景面向有影像圖需求的非測(cè)繪用戶，推出了一鍵快拼軟件OKMatrix，以超越國內(nèi)外同類軟件數(shù)倍的速度優(yōu)勢(shì)，大幅提升了國土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、電力等行業(yè)用戶的操作體驗(yàn)。

縱觀航天遠(yuǎn)景的無人機(jī)軟件產(chǎn)品線，品種繁多，交相輝映，共同組成了完善的無人機(jī)后處理體系。根據(jù)軟件的功能特點(diǎn)和市場(chǎng)定位，可以將產(chǎn)品線分為兩類：

(1) 面向測(cè)繪用戶的無人機(jī)高精度方案

對(duì)于廣大的測(cè)繪用戶來說，精度是一切問題的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，只有解決了精度問題，無人機(jī)技術(shù)才能在測(cè)繪領(lǐng)域中得到應(yīng)用。航天遠(yuǎn)景無人機(jī)測(cè)繪軟件產(chǎn)品線始終圍繞“精度”，已經(jīng)能夠滿足1：1000比例尺地形圖精度要求。

(2) 面向行業(yè)用戶的一鍵快拼方案

對(duì)于廣大的非測(cè)繪行業(yè)用戶，影像圖的需求強(qiáng)烈，但是本身并不掌握復(fù)雜的攝影測(cè)量工藝。航天遠(yuǎn)景在充分調(diào)研行業(yè)用戶需求的基礎(chǔ)上，推出了無人機(jī)一鍵快拼套件OKMatrix，將無人機(jī)影像圖制作簡(jiǎn)化為“一鍵”。

2.1 面向測(cè)繪用戶的無人機(jī)高精度方案

利用無人機(jī)進(jìn)行高精度地形測(cè)繪，涉及到圖1所示的多個(gè)環(huán)節(jié)，只有每一個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量指標(biāo)滿足要求，最終的成果才能滿足要求。航天遠(yuǎn)景的無人機(jī)高精度測(cè)繪方案正是基于這一思路，著眼于無人機(jī)地形測(cè)繪的全局，將精度指標(biāo)分解到各個(gè)環(huán)節(jié)，層層把關(guān)，逐級(jí)控制。針對(duì)無人機(jī)測(cè)繪的各個(gè)階段對(duì)軟件系統(tǒng)的不同需求，航天遠(yuǎn)景提供了一系列的軟件系統(tǒng)，從而解決了無人機(jī)小數(shù)碼影像的航拍現(xiàn)場(chǎng)快速影像質(zhì)量檢查、相機(jī)布控、相機(jī)輻射校正、內(nèi)業(yè)空三以及高精度大比例尺3D產(chǎn)品的快速生產(chǎn)等各個(gè)階段的問題。

圖 1 航天遠(yuǎn)景無人機(jī)高精度測(cè)繪全流程圖

2.1.1 航拍階段

航拍階段的工作重點(diǎn)是獲取無人機(jī)測(cè)繪所需的影像，旋偏角、重疊度以及航線彎曲度是這個(gè)階段的重要指標(biāo)。在航天遠(yuǎn)景的無人機(jī)方案出現(xiàn)之前，航拍階段缺少有效的質(zhì)量控制手段，通常是在空三加密的時(shí)候，根據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)的情況評(píng)價(jià)航飛質(zhì)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格時(shí)，只能重飛，造成工期浪費(fèi)，也增加了生產(chǎn)成本。

航天遠(yuǎn)景OKMatrix是一款針對(duì)無人機(jī)的航飛質(zhì)量檢查軟件，為航飛隊(duì)提供現(xiàn)場(chǎng)航拍質(zhì)量評(píng)估能力，能夠在5～10分鐘內(nèi)完成一個(gè)架次的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，輸入圖2所示的質(zhì)量報(bào)告。

圖 2 質(zhì)量報(bào)告

圖(a)，以文字和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的形式表達(dá)航拍質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，圖(b)、(c)，以圖形化的形式顯示航拍區(qū)的概略影像、稀疏DEM和重疊度，提高質(zhì)量檢查結(jié)果的直觀性。

2.1.2 像控測(cè)量階段

一般情況下，無人機(jī)影像幅面遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)航攝儀獲取的影像幅面，如果參照傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，則需要布設(shè)大量的地面控制點(diǎn)�？刂泣c(diǎn)合理布設(shè)、控制點(diǎn)的外業(yè)量測(cè)以及控制點(diǎn)的內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺成為像控測(cè)量階段的主要任務(wù)。在航天遠(yuǎn)景的無人機(jī)方案出現(xiàn)之前，通常需要進(jìn)行自由網(wǎng)平差，生成測(cè)區(qū)鑲嵌圖，對(duì)照鑲嵌圖和航片，人工布設(shè)控制點(diǎn)，并制作像控片，再有外業(yè)測(cè)量人員攜帶紙質(zhì)的鑲嵌圖和像控片，到野外測(cè)量控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)。在這個(gè)作業(yè)過程中，控制點(diǎn)的布設(shè)是一個(gè)人工過程，其合理性高度依賴于作業(yè)員的經(jīng)驗(yàn)，外業(yè)測(cè)量人員所攜帶的紙質(zhì)材料也能有效發(fā)揮現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，不能有效指引作業(yè)員以最快的方式到達(dá)既定點(diǎn)位。這些問題的存在制約了像控測(cè)量的工作效率，尤其是在無人機(jī)測(cè)繪需要大量地面控制點(diǎn)的情況下，這一問題更加突出。在工期和成本緊張的情況下，只能盡量減少控制點(diǎn)的使用量，對(duì)最終成果的精度產(chǎn)生潛在的威脅。

航天遠(yuǎn)景SurveyMatrix致力于像控測(cè)量的無紙化和智能化。圖3為SurveyMatrix四大功能：(1)全自動(dòng)布控，點(diǎn)位分布更合理，布設(shè)質(zhì)量與作業(yè)員經(jīng)驗(yàn)相關(guān)度低;(2)外業(yè)測(cè)量智能導(dǎo)航，能夠依據(jù)作業(yè)所處位置，自動(dòng)計(jì)算到達(dá)每一個(gè)既定點(diǎn)位的最有路線，加快尋點(diǎn)過程;(3)測(cè)量、平差同步進(jìn)行，能夠即時(shí)發(fā)現(xiàn)控制測(cè)量中的粗差點(diǎn)，減少返工;(4)測(cè)量、記錄一體化，與RTK手簿無縫結(jié)合，既能記錄點(diǎn)位也能拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，建立照片和點(diǎn)號(hào)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，杜絕點(diǎn)號(hào)、點(diǎn)位及現(xiàn)場(chǎng)照之間的張冠李戴。

圖 3 SurveyMatrix 功能示意圖

2.1.3 相機(jī)檢校階段

無人機(jī)上通常搭載家用數(shù)碼相機(jī)，這類相機(jī)的畸變比較大，如果不進(jìn)行精密檢校而直接用于攝影測(cè)量，即使在空三加密階段采用了帶系統(tǒng)誤差自檢校的光束法區(qū)域網(wǎng)平差算法，仍然不能滿足高精度測(cè)繪的要求，為此，相機(jī)檢校成為無人機(jī)高精度測(cè)繪中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在航天遠(yuǎn)景的無人機(jī)方案出現(xiàn)之前，用戶需要每隔一段時(shí)間，將相機(jī)快遞到具備相機(jī)檢校能力的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢校。由于來回快遞，周期至少3天時(shí)間，而無人機(jī)的航拍時(shí)間窗口有限，與天氣密切相關(guān)，用戶通常會(huì)為了在氣象條件良好時(shí)抓拍，而放棄起飛前的相機(jī)檢校，這將對(duì)無人機(jī)的高精度測(cè)繪產(chǎn)生不利影響。