從一鍵快拼到高精度測繪——航天遠景無人機綜合處理新方案

1 無人機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)對機場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)濟建設(shè)和文化事業(yè)服務(wù)。以無人駕駛飛機為空中遙感平臺的技術(shù)，正是適應(yīng)這一需要而發(fā)展起來的一項新型應(yīng)用性技術(shù)，能夠較好地滿足現(xiàn)階段我國對航空遙感業(yè)務(wù)的需求，對陳舊的地理資料進行更新，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。

無人機遙感系統(tǒng)多使用小型數(shù)字相機(或掃描儀)作為機載遙感設(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，因此需要針對其遙感影像特點以及相機定標參數(shù)、拍攝姿態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)幾何模型對影像進行幾何和輻射校正的軟件系統(tǒng)進行交互式處理，同時還需影像快速拼接、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)實時、快速的技術(shù)要求。

2 航天遠景無人機綜合處理新方案

隨著國內(nèi)無人機應(yīng)用市場的逐漸升溫，航天遠景在無人機影像后處理方面也投入了大量的人力、物力，圍繞無人機高精度測繪和快速處理兩項關(guān)鍵技術(shù)展開研究。目前已掌握針對無人機大旋偏角影像的自動匹配技術(shù)、高精度空中三角測量技術(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檢校軟件，使得無人機用戶隨時隨地進行相機檢校成為可能。特別在2014年10月，航天遠景面向有影像圖需求的非測繪用戶，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，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。

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

(1) 面向測繪用戶的無人機高精度方案

對于廣大的測繪用戶來說，精度是一切問題的出發(fā)點和落腳點，只有解決了精度問題，無人機技術(shù)才能在測繪領(lǐng)域中得到應(yīng)用。航天遠景無人機測繪軟件產(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

對于廣大的非測繪行業(yè)用戶，影像圖的需求強烈，但是本身并不掌握復雜的攝影測量工藝。航天遠景在充分調(diào)研行業(yè)用戶需求的基礎(chǔ)上，推出了無人機一鍵快拼套件OKMatrix，將無人機影像圖制作簡化為“一鍵”。

2.1 面向測繪用戶的無人機高精度方案

利用無人機進行高精度地形測繪，涉及到圖1所示的多個環(huán)節(jié)，只有每一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量指標滿足要求，最終的成果才能滿足要求。航天遠景的無人機高精度測繪方案正是基于這一思路，著眼于無人機地形測繪的全局，將精度指標分解到各個環(huán)節(jié)，層層把關(guān)，逐級控制。針對無人機測繪的各個階段對軟件系統(tǒng)的不同需求，航天遠景提供了一系列的軟件系統(tǒng)，從而解決了無人機小數(shù)碼影像的航拍現(xiàn)場快速影像質(zhì)量檢查、相機布控、相機輻射校正、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)等各個階段的問題。

圖 1 航天遠景無人機高精度測繪全流程圖

2.1.1 航拍階段

航拍階段的工作重點是獲取無人機測繪所需的影像，旋偏角、重疊度以及航線彎曲度是這個階段的重要指標。在航天遠景的無人機方案出現(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候，根據(jù)自動轉(zhuǎn)點的情況評價航飛質(zhì)量，當發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格時，只能重飛，造成工期浪費，也增加了生產(chǎn)成本。

航天遠景OKMatrix是一款針對無人機的航飛質(zhì)量檢查軟件，為航飛隊提供現(xiàn)場航拍質(zhì)量評估能力，能夠在5～10分鐘內(nèi)完成一個架次的質(zhì)量評價工作，輸入圖2所示的質(zhì)量報告。

圖 2 質(zhì)量報告

圖(a)，以文字和統(tǒng)計報表的形式表達航拍質(zhì)量的關(guān)鍵指標，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 像控測量階段

一般情況下，無人機影像幅面遠小于傳統(tǒng)航攝儀獲取的影像幅面，如果參照傳統(tǒng)航空攝影測量的標準進行控制點的布設(shè)，則需要布設(shè)大量的地面控制點�？刂泣c合理布設(shè)、控制點的外業(yè)量測以及控制點的內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺成為像控測量階段的主要任務(wù)。在航天遠景的無人機方案出現(xiàn)之前，通常需要進行自由網(wǎng)平差，生成測區(qū)鑲嵌圖，對照鑲嵌圖和航片，人工布設(shè)控制點，并制作像控片，再有外業(yè)測量人員攜帶紙質(zhì)的鑲嵌圖和像控片，到野外測量控制點的物方坐標。在這個作業(yè)過程中，控制點的布設(shè)是一個人工過程，其合理性高度依賴于作業(yè)員的經(jīng)驗，外業(yè)測量人員所攜帶的紙質(zhì)材料也能有效發(fā)揮現(xiàn)代導航技術(shù)的優(yōu)勢，不能有效指引作業(yè)員以最快的方式到達既定點位。這些問題的存在制約了像控測量的工作效率，尤其是在無人機測繪需要大量地面控制點的情況下，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的使用量，對最終成果的精度產(chǎn)生潛在的威脅。

航天遠景SurveyMatrix致力于像控測量的無紙化和智能化。圖3為SurveyMatrix四大功能：(1)全自動布控，點位分布更合理，布設(shè)質(zhì)量與作業(yè)員經(jīng)驗相關(guān)度低;(2)外業(yè)測量智能導航，能夠依據(jù)作業(yè)所處位置，自動計算到達每一個既定點位的最有路線，加快尋點過程;(3)測量、平差同步進行，能夠即時發(fā)現(xiàn)控制測量中的粗差點，減少返工;(4)測量、記錄一體化，與RTK手簿無縫結(jié)合，既能記錄點位也能拍攝現(xiàn)場照片，建立照片和點號之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，杜絕點號、點位及現(xiàn)場照之間的張冠李戴。

圖 3 SurveyMatrix 功能示意圖

2.1.3 相機檢校階段

無人機上通常搭載家用數(shù)碼相機，這類相機的畸變比較大，如果不進行精密檢校而直接用于攝影測量，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繪的要求，為此，相機檢校成為無人機高精度測繪中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。在航天遠景的無人機方案出現(xiàn)之前，用戶需要每隔一段時間，將相機快遞到具備相機檢校能力的實驗室進行檢校。由于來回快遞，周期至少3天時間，而無人機的航拍時間窗口有限，與天氣密切相關(guān)，用戶通常會為了在氣象條件良好時抓拍，而放棄起飛前的相機檢校，這將對無人機的高精度測繪產(chǎn)生不利影響。