近年來(lái)無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)不斷發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)影像生成的真正射影像(TDOM)在成圖精度、制作流程方面仍有提高的空間。本文采用固定翼無(wú)人機(jī)和專業(yè)攝影相機(jī)采集影像，布設(shè)地面控制點(diǎn)，提出了利用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)和多視立體視覺(MVS)工作流來(lái)生成高精度數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)的方法;對(duì)遮蔽傾斜部分進(jìn)行陰影檢測(cè)、DSM修編和多視影像紋理補(bǔ)償生成TDOM;最后用TDOM上隨機(jī)分布的檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，水平精度為3.3cm，垂直精度為7.5cm，消除了DOM中傾斜和陰影部分，使建筑物保持垂直視角，生成的滿足1∶500比例尺高精度并消除傾斜陰影的TDOM可用于農(nóng)村宅基地確權(quán)、國(guó)土規(guī)劃設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī);運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM);多視立體視覺(MVS);數(shù)字表面模型;真正射影像
近年來(lái)，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在許多領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展，已成為地理信息空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段之一。與傳統(tǒng)測(cè)量方法、衛(wèi)星遙感和航空遙感相比，無(wú)人機(jī)遙感具有高時(shí)效、高分辨率、低成本、低損耗、低風(fēng)險(xiǎn)及可重復(fù)等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠在大面積區(qū)域、常規(guī)航攝困難地區(qū)和突發(fā)自然災(zāi)害地區(qū)快速獲取高分辨率影像[1-3]。
數(shù)字正射影像圖(digitalorthophotomap，DOM)是與地表垂直平行投影所得到的影像，同時(shí)具有地圖的幾何精度和影像的視覺特征。真正射影像圖(truedigitalorthophotomap，TDOM)是將地表影像經(jīng)垂直投影，消除投影差，使地形和地物均被糾正到正確的平面位置上而生成的影像數(shù)據(jù)集，具有像片的影像特征和地圖的幾何精度[4-7]。真正射影像圖與傳統(tǒng)正射影像圖最顯著的差異在于正射糾正的同時(shí)分析地物的可見性。TDOM具有豐富的色彩和易于判別的紋理圖案，可降低外業(yè)成本并提高精度，廣泛應(yīng)用于國(guó)土規(guī)劃、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、荒漠化監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查、農(nóng)村宅基地確權(quán)等方面[8-11]。
目前已有國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)真正射影像進(jìn)行了研究，Lucieer等使用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(structfrommotion，SfM)算法和多視立體視覺(multiviewstereo，MVS)算法建立了超高分辨率的3D模型，生成的DOM可用于對(duì)南極苔蘚生存狀況評(píng)估[12-13]。艾明耀等提出了一個(gè)建立自動(dòng)空三、多視點(diǎn)匹配的方法來(lái)改善數(shù)字表面模型(digitalsurfacemodel，DSM)和DOM，使影像三維可視化[14]。朱慶等提出了面向?qū)ο蟮恼嬲溆跋窦m正方法，定義物方像方定義，全局可見性縮影，面向?qū)ο蟮恼嬲浼m正和紋理優(yōu)化采樣[15]。范彬彬等在村莊地籍調(diào)查中生產(chǎn)1∶1000比例尺的TDOM，TDOM克服傾斜遮擋問(wèn)題，可對(duì)村莊地籍圖直接矢量化[16]。
目前研究尚有待改進(jìn)的地方:①數(shù)字正射影像整體精度無(wú)法滿足需求，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)方法對(duì)空三加密，生成DOM精度平面中誤差在0.15m左右[11]，無(wú)法滿足如農(nóng)村宅基地確權(quán)等對(duì)高精度的要求。本研究使用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)算法、多視立體建模(MVS)生成點(diǎn)云、DSM、DOM，可生產(chǎn)平面中誤差在0.05m以內(nèi)的高精度DOM;②DOM局部影像存在傾斜遮蔽等問(wèn)題，降低了影像局部精度，傳統(tǒng)DOM是以數(shù)字高程模型(digitalelevationmodel，DEM)為基礎(chǔ)生成的，但存在中心投影變形、地形地物遮蔽陰影等問(wèn)題，降低了DOM局部范圍精度，使用DSM對(duì)DOM進(jìn)行糾正可生成TDOM。
本文以北京密云為研究區(qū)，使用無(wú)人機(jī)航拍收集數(shù)據(jù)，引入運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法(SfM)工作流來(lái)生成點(diǎn)云、DSM、DOM;針對(duì)局部影像房屋傾斜遮擋問(wèn)題，通過(guò)對(duì)DSM編修和多視影像補(bǔ)償來(lái)消除傾斜生成TDOM，對(duì)生成的點(diǎn)云、DSM、TDOM結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和討論，從而提出一種無(wú)人機(jī)遙感真正射影像高精度制圖方法。
1研究方法
1.1研究區(qū)概述
測(cè)試區(qū)域位于北京市密云區(qū)西邵渠村，密云區(qū)位于北京市東北部，屬燕山山地與華北平原交接地，測(cè)區(qū)主要為農(nóng)村宅基地，大部分建筑為一層樓平房，村內(nèi)地勢(shì)平坦，四周為農(nóng)田，選取航飛區(qū)域?yàn)槟媳背?，長(zhǎng)條形狀。測(cè)區(qū)最高海拔為140m，最低海拔為120m，平均海拔為130m，飛行航拍當(dāng)天天氣晴朗無(wú)云，陽(yáng)光照射充足，微風(fēng)，適合進(jìn)行無(wú)人機(jī)航飛拍攝。
1.2外業(yè)航飛
1.2.1設(shè)備參數(shù)
本研究所用無(wú)人機(jī)為大疆筋斗云S-900，它是一款輕巧穩(wěn)定、便攜易用的專業(yè)六旋翼飛行平臺(tái)，主要結(jié)構(gòu)部件均采用質(zhì)量強(qiáng)度較高的碳纖維復(fù)合材料，整機(jī)自重約3.3kg，搭載云臺(tái)相機(jī)后最大起飛重量約8.2kg，搭載的數(shù)碼相機(jī)為SonyA7r，3600萬(wàn)像素，分辨率為7360×4912像素，傳感器尺寸為35.9mm×24mm，相機(jī)重量為407g，可配合云臺(tái)搭載在無(wú)人機(jī)S-900，用于采集影像數(shù)據(jù)。
1.2.2GCP布設(shè)
經(jīng)航飛前實(shí)地調(diào)研觀測(cè)，并結(jié)合飛行航線，利用GoogleEarth在測(cè)區(qū)布設(shè)了32個(gè)控制點(diǎn)、6個(gè)檢查點(diǎn)。布點(diǎn)沿航線方向均勻分布，位置在村莊內(nèi)沿著主要道路、道路交匯處、房屋拐點(diǎn)、農(nóng)田周邊等，如圖1所示。使用思拓力SC200高性能CORS接收機(jī)，架設(shè)地面CORS基站，使用移動(dòng)手持GPS測(cè)量每個(gè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
圖1控制點(diǎn)分布
1.2.3飛行控制
航線規(guī)劃在大疆無(wú)人機(jī)系統(tǒng)配套軟件Rockycapture中完成，測(cè)區(qū)為約0.3km2、長(zhǎng)701m、寬330m的長(zhǎng)方形區(qū)域?，飛行2個(gè)架次，規(guī)劃航線10條，蛇形路線飛行，航線設(shè)計(jì)如圖2所示，相對(duì)航高為160m，地面分辨率(GSD)為1.6cm，預(yù)設(shè)航向重疊率80%，旁相重疊率60%，曝光間隔為2s，每個(gè)架次飛行時(shí)長(zhǎng)18min，在研究區(qū)拍攝了460張影像，完成航飛后，導(dǎo)出影像和GCP數(shù)據(jù)，在Pix4D中快速檢測(cè)，并檢查影像重疊率、相機(jī)焦距、單幅影像特征點(diǎn)匹配數(shù)量、GCP與影像地理配準(zhǔn)等指標(biāo)是否滿足要求。經(jīng)檢驗(yàn)，影像質(zhì)量和GCP質(zhì)量良好，滿足內(nèi)業(yè)處理及正射影像制圖規(guī)范[16]。
1.3SfM算法生成點(diǎn)云
近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步，SfM算法和MVS已成功應(yīng)用于無(wú)人機(jī)影像處理，可生成高分辨率的DSM和DOM，SfM算法工作流程為:導(dǎo)入航飛獲得的51張高精度影像和3個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)在可見的影像上進(jìn)行刺點(diǎn);通過(guò)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)賦予的坐標(biāo)和包含這些控制點(diǎn)的影像特征點(diǎn)，利用軟件檢索每?jī)蓮堄跋裰邢嗤奶卣鼽c(diǎn)并進(jìn)行匹配，恢復(fù)每張影像相機(jī)曝光的位置和姿態(tài)，將影像位置恢復(fù)在空中并顯示運(yùn)動(dòng)軌跡，地面特征點(diǎn)的三維位置也可獲得，這些特征點(diǎn)形成了一個(gè)稀疏的三維點(diǎn)云;基于MVS的密集的幾何重建可生成更詳細(xì)的三維模型，其中3個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)用來(lái)改進(jìn)該三維模型的絕對(duì)精度，DSM網(wǎng)格生成的三維模型采用的地圖投影為WGS-84UTM50N;將原始影像投影到數(shù)字表面模型并將影像紋理混合在重疊區(qū)域，即可產(chǎn)生整個(gè)地區(qū)的數(shù)字正射影像。
（a）SfM算法恢復(fù)的相機(jī)曝光位置及無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡
?。╞）多視立體視覺(MVS)建立的紋理貼圖三維模型
1.4DSM修編
DSM是表達(dá)地球表面及表面上物體(如房屋、樹冠等)高起伏形態(tài)的數(shù)據(jù)集，是地表上自然、人工地物空間信息的統(tǒng)一體。與DEM相比，DSM除包含地形的高程信息外，還涵蓋了除地面以外的其他地表信息的高程，如建筑物、植被等，可表達(dá)各種建筑物表面和植被覆蓋情況，反映坐落于地面的所有物體表面特征，更準(zhǔn)確更直觀地表達(dá)地理信息。使用DSM代替DEM生成DOM可獲取更多地表信息，且可以對(duì)生成的DSM進(jìn)行修改編正，恢復(fù)被傾斜遮蔽的地物。
對(duì)初步匹配生成的DSM進(jìn)行遮擋區(qū)域檢測(cè)，然后對(duì)遮擋區(qū)域進(jìn)行分析和紋理修補(bǔ)，進(jìn)一步恢復(fù)建筑物的立體角度，最后對(duì)修補(bǔ)好的DSM去噪和平滑，在立體模型下手工精細(xì)編輯DSM，得到高精度的DSM。
1.5TDOM糾正及精度評(píng)價(jià)
利用中心投影的航攝影像得到正射影像圖，實(shí)質(zhì)是將中心投影轉(zhuǎn)變?yōu)檎渫队?，一般采用影像糾正的方法實(shí)現(xiàn)兩種投影之間的正確變換。本文采用數(shù)字微分糾正的方法，其原理是對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行逐個(gè)像元的微分糾正，即根據(jù)影像的已知定向元素和數(shù)字高程模型，按一定的數(shù)字模型利用控制點(diǎn)結(jié)算，由原始的中心投影的像片獲取正射影像，其過(guò)程是將影像化為很多微小的區(qū)域，如一個(gè)像元的大小，逐一進(jìn)行糾正。
利用多視影像對(duì)遮擋區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，主要包括分別對(duì)每張影像生成近似真正射影像，然后對(duì)所有可見區(qū)域進(jìn)行融合，依據(jù)一定原則選擇合適主、輔影像進(jìn)行補(bǔ)償，在高精度DSM的基礎(chǔ)上，采用數(shù)字微分糾正的方法糾正消除了所有視差，建立了完全垂直視角的地表景觀。建筑物保持垂直視角，只顯示了建筑物的頂部，不顯示側(cè)面，避免了高大建筑物對(duì)其他地表信息的遮擋，恢復(fù)了建筑物的正確顯示，生成TDOM。
在完成正射影像成果之后，需要對(duì)其精度進(jìn)行檢驗(yàn)，以確認(rèn)成果及整個(gè)試驗(yàn)方法的可靠性，檢查點(diǎn)的X方向誤差、Y方向誤差、平面中誤差、高程中誤差計(jì)算公式分別為：
式中，RMSE為中誤差;XGPSi、YGPSi、HGPSi為實(shí)測(cè)值，單位為m;XOi、YOi、HOi為圖上值，單位為m;n為檢查點(diǎn)數(shù)量。
2結(jié)果與討論
2.1點(diǎn)云評(píng)價(jià)
對(duì)導(dǎo)入的影像和GCP數(shù)據(jù)使用SfM算法恢復(fù)相機(jī)曝光位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，生成稀疏點(diǎn)云，接著根據(jù)稀疏點(diǎn)云使用MVS生成稠密點(diǎn)云，根據(jù)生成點(diǎn)云利用反距離權(quán)重插值法生成數(shù)字表面模型。
從圖2可看出，利用SfM通過(guò)特征點(diǎn)匹配，可以恢復(fù)每張影像相機(jī)曝光時(shí)的位置和無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)生成的稀疏點(diǎn)云進(jìn)行致密化處理，生成致密化三維點(diǎn)云數(shù)量約為1769萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，平均每立方米477.18個(gè)點(diǎn)。根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建Mesh網(wǎng)模型，接著利用反距離權(quán)重插值法生成DSM模型，對(duì)DSM模型進(jìn)行去噪濾波和表面平滑處理，結(jié)果如圖3所示。
圖3數(shù)字表面模型(DSM)
2.2DSM修編及TDOM糾正
圖4為生成DSM的有遮蔽傾斜部分，圖5為對(duì)DSM進(jìn)行修編后，建筑物房屋外形輪廓明顯無(wú)傾斜遮蔽。生成的DOM也減小了傾斜和遮蔽。
圖4DSM修編前
采用人工填補(bǔ)影像排序的方法，對(duì)標(biāo)記為遮蔽區(qū)的地方進(jìn)行影像填補(bǔ)，得到完整的正射影像。為避免副影像中用來(lái)填補(bǔ)的影像區(qū)域?yàn)檎诒螀^(qū)，也需對(duì)副影像進(jìn)行遮蔽檢測(cè)，接著對(duì)初步正射糾正成果中標(biāo)記為遮蔽區(qū)的地面單元與副影像遮蔽區(qū)進(jìn)行判斷，判斷該遮蔽區(qū)是否能通過(guò)該副影像得到所需的影像信息。如果標(biāo)記為遮蔽區(qū)的單元不在該副影像的遮蔽區(qū)中，則進(jìn)行影像填補(bǔ)，反之不進(jìn)行處理。依次利用航測(cè)影像來(lái)進(jìn)行遮蔽區(qū)影像的填補(bǔ)，當(dāng)?shù)玫降恼嬲溆跋窬哂型暾挠跋裥畔⒑缶屯Ｖ固钛a(bǔ)，否則持續(xù)進(jìn)行。直到最后一張，如圖6、圖7所示，原始影像中圈內(nèi)有明顯的建筑物傾斜，通過(guò)正射糾正后，消除了這些明顯的傾斜。每個(gè)建筑物處于垂直正射角度，如圖8、圖9所示。
圖5DSM修編后
圖6原始影像1
圖7原始影像2
圖8消除傾斜遮蔽后TDOM1
圖9消除傾斜遮蔽后TDOM2
2.3正射影像精度評(píng)價(jià)
圖10為生成的真正射影像TDOM，在圖中隨機(jī)選取了5個(gè)檢查點(diǎn)，與野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其結(jié)果見表1。
圖10真數(shù)字正射影像(TDOM)
程中誤差分別為0.033m和0.075m，相比之下，范彬彬等[10]平面和高程中誤差分別為0.10m、0.15m。本研究剔除個(gè)別異常點(diǎn)，異常點(diǎn)發(fā)生的原因是標(biāo)識(shí)被居民移動(dòng)等，平面中誤差可以控制在0.05m內(nèi)。
參考?數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范?(GB/T23236—2009)7.1中，1∶500比例尺在檢查點(diǎn)平面和高程最大限值分別為0.175m和0.15m，DOM檢查點(diǎn)計(jì)算結(jié)果符合要求，且質(zhì)量較好。
3結(jié)語(yǔ)
本文以北京市密云區(qū)西邵渠村無(wú)人機(jī)攝影像數(shù)據(jù)為研究地區(qū)，使用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載高分辨率相機(jī)采集數(shù)據(jù)，在地面布設(shè)地面控制點(diǎn)標(biāo)志并進(jìn)行RTK方法測(cè)量。利用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)匯算相機(jī)與三維信息，多視立體建模(MVS)密集匹配獲取三維點(diǎn)云模型，由點(diǎn)云生成高精度和準(zhǔn)確的DSM、DOM;對(duì)DSM遮擋部分進(jìn)行遮擋分析和紋理修補(bǔ)，基于DSM，使用數(shù)字微分糾正，生成TDOM，可以有效解決傳統(tǒng)的DOM存在中心投影變形、地形地物遮蔽陰影等問(wèn)題。制作的DOM精度高，平面中誤差為0.033m，高程中誤差為0.075m，優(yōu)于?數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范?(GB/T23236—2009)中1∶500比例尺在檢查點(diǎn)平面和高程最大限值分別為0.175m和0.15m的要求。本研究可用于農(nóng)村宅基地確權(quán)、不動(dòng)產(chǎn)登記等工作，生成的TDOM具有可控制在0.05m內(nèi)精度，可大大減小外業(yè)測(cè)量的工作量并提高精度。
本文轉(zhuǎn)載自地理信息論壇 來(lái)源：《測(cè)繪通報(bào)》2018年2期 作者：劉宇，鄭新奇，艾剛
