近年來無人機低空遙感技術(shù)不斷發(fā)展，利用無人機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。本文采用固定翼無人機和專業(yè)攝影相機采集影像，布設(shè)地面控制點，提出了利用運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)和多視立體視覺(MVS)工作流來生成高精度數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)的方法;對遮蔽傾斜部分進行陰影檢測、DSM修編和多視影像紋理補償生成TDOM;最后用TDOM上隨機分布的檢查點進行精度檢查，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)、國土規(guī)劃設(shè)計等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:無人機;運動恢復(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，無人機低空遙感技術(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)測量方法、衛(wèi)星遙感和航空遙感相比，無人機遙感具有高時效、高分辨率、低成本、低損耗、低風險及可重復(fù)等諸多優(yōu)勢，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)用于國土規(guī)劃、精準農(nóng)業(yè)、荒漠化監(jiān)測、土地利用調(diào)查、農(nóng)村宅基地確權(quán)等方面[8-11]。
目前已有國內(nèi)外許多學者對無人機真正射影像進行了研究，Lucieer等使用運動恢復(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可用于對南極苔蘚生存狀況評估[12-13]。艾明耀等提出了一個建立自動空三、多視點匹配的方法來改善數(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克服傾斜遮擋問題，可對村莊地籍圖直接矢量化[16]。
目前研究尚有待改進的地方:①數(shù)字正射影像整體精度無法滿足需求，國內(nèi)傳統(tǒng)方法對空三加密，生成DOM精度平面中誤差在0.15m左右[11]，無法滿足如農(nóng)村宅基地確權(quán)等對高精度的要求。本研究使用運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)算法、多視立體建模(MVS)生成點云、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題，降低了DOM局部范圍精度，使用DSM對DOM進行糾正可生成TDOM。
本文以北京密云為研究區(qū)，使用無人機航拍收集數(shù)據(jù)，引入運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法(SfM)工作流來生成點云、DSM、DOM;針對局部影像房屋傾斜遮擋問題，通過對DSM編修和多視影像補償來消除傾斜生成TDOM，對生成的點云、DSM、TDOM結(jié)果進行驗證和討論，從而提出一種無人機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)地勢平坦，四周為農(nóng)田，選取航飛區(qū)域為南北朝向，長條形狀。測區(qū)最高海拔為140m，最低海拔為120m，平均海拔為130m，飛行航拍當天天氣晴朗無云，陽光照射充足，微風，適合進行無人機航飛拍攝。
1.2外業(yè)航飛
1.2.1設(shè)備參數(shù)
本研究所用無人機為大疆筋斗云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，主要結(jié)構(gòu)部件均采用質(zhì)量強度較高的碳纖維復(fù)合材料，整機自重約3.3kg，搭載云臺相機后最大起飛重量約8.2kg，搭載的數(shù)碼相機為SonyA7r，3600萬像素，分辨率為7360×4912像素，傳感器尺寸為35.9mm×24mm，相機重量為407g，可配合云臺搭載在無人機S-900，用于采集影像數(shù)據(jù)。
1.2.2GCP布設(shè)
經(jīng)航飛前實地調(diào)研觀測，并結(jié)合飛行航線，利用GoogleEarth在測區(qū)布設(shè)了32個控制點、6個檢查點。布點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、農(nóng)田周邊等，如圖1所示。使用思拓力SC200高性能CORS接收機，架設(shè)地面CORS基站，使用移動手持GPS測量每個控制點和檢查點的坐標數(shù)據(jù)。
圖1控制點分布
1.2.3飛行控制
航線規(guī)劃在大疆無人機系統(tǒng)配套軟件Rockycapture中完成，測區(qū)為約0.3km2、長701m、寬330m的長方形區(qū)域?，飛行2個架次，規(guī)劃航線10條，蛇形路線飛行，航線設(shè)計如圖2所示，相對航高為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，每個架次飛行時長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，并檢查影像重疊率、相機焦距、單幅影像特征點匹配數(shù)量、GCP與影像地理配準等指標是否滿足要求。經(jīng)檢驗，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算法生成點云
近年來隨著計算機視覺技術(shù)的進步，SfM算法和MVS已成功應(yīng)用于無人機影像處理，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個控制點數(shù)據(jù)，對控制點數(shù)據(jù)在可見的影像上進行刺點;通過控制點數(shù)據(jù)賦予的坐標和包含這些控制點的影像特征點，利用軟件檢索每兩張影像中相同的特征點并進行匹配，恢復(fù)每張影像相機曝光的位置和姿態(tài)，將影像位置恢復(fù)在空中并顯示運動軌跡，地面特征點的三維位置也可獲得，這些特征點形成了一個稀疏的三維點云;基于MVS的密集的幾何重建可生成更詳細的三維模型，其中3個控制點數(shù)據(jù)用來改進該三維模型的絕對精度，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)生整個地區(qū)的數(shù)字正射影像。
?。╝）SfM算法恢復(fù)的相機曝光位置及無人機運動軌跡
?。╞）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，更準確更直觀地表達地理信息。使用DSM代替DEM生成DOM可獲取更多地表信息，且可以對生成的DSM進行修改編正，恢復(fù)被傾斜遮蔽的地物。
對初步匹配生成的DSM進行遮擋區(qū)域檢測，然后對遮擋區(qū)域進行分析和紋理修補，進一步恢復(fù)建筑物的立體角度，最后對修補好的DSM去噪和平滑，在立體模型下手工精細編輯DSM，得到高精度的DSM。
1.5TDOM糾正及精度評價
利用中心投影的航攝影像得到正射影像圖，實質(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，其原理是對數(shù)字影像進行逐個像元的微分糾正，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)字模型利用控制點結(jié)算，由原始的中心投影的像片獲取正射影像，其過程是將影像化為很多微小的區(qū)域，如一個像元的大小，逐一進行糾正。
利用多視影像對遮擋區(qū)域進行補償，主要包括分別對每張影像生成近似真正射影像，然后對所有可見區(qū)域進行融合，依據(jù)一定原則選擇合適主、輔影像進行補償，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，需要對其精度進行檢驗，以確認成果及整個試驗方法的可靠性，檢查點的X方向誤差、Y方向誤差、平面中誤差、高程中誤差計算公式分別為：
式中，RMSE為中誤差;XGPSi、YGPSi、HGPSi為實測值，單位為m;XOi、YOi、HOi為圖上值，單位為m;n為檢查點數(shù)量。
2結(jié)果與討論
2.1點云評價
對導(dǎo)入的影像和GCP數(shù)據(jù)使用SfM算法恢復(fù)相機曝光位置和運動軌跡，生成稀疏點云，接著根據(jù)稀疏點云使用MVS生成稠密點云，根據(jù)生成點云利用反距離權(quán)重插值法生成數(shù)字表面模型。
從圖2可看出，利用SfM通過特征點匹配，可以恢復(fù)每張影像相機曝光時的位置和無人機的運動軌跡，對生成的稀疏點云進行致密化處理，生成致密化三維點云數(shù)量約為1769萬個點，平均每立方米477.18個點。根據(jù)三維點云數(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DSM模型進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DSM進行修編后，建筑物房屋外形輪廓明顯無傾斜遮蔽。生成的DOM也減小了傾斜和遮蔽。
圖4DSM修編前
采用人工填補影像排序的方法，對標記為遮蔽區(qū)的地方進行影像填補，得到完整的正射影像。為避免副影像中用來填補的影像區(qū)域為遮蔽區(qū)，也需對副影像進行遮蔽檢測，接著對初步正射糾正成果中標記為遮蔽區(qū)的地面單元與副影像遮蔽區(qū)進行判斷，判斷該遮蔽區(qū)是否能通過該副影像得到所需的影像信息。如果標記為遮蔽區(qū)的單元不在該副影像的遮蔽區(qū)中，則進行影像填補，反之不進行處理。依次利用航測影像來進行遮蔽區(qū)影像的填補，當?shù)玫降恼嬲溆跋窬哂型暾挠跋裥畔⒑缶屯Ｖ固钛a，否則持續(xù)進行。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，通過正射糾正后，消除了這些明顯的傾斜。每個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正射影像精度評價
圖10為生成的真正射影像TDOM，在圖中隨機選取了5個檢查點，與野外實測數(shù)據(jù)進行比較，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。本研究剔除個別異常點，異常點發(fā)生的原因是標識被居民移動等，平面中誤差可以控制在0.05m內(nèi)。
參考?數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范?(GB/T23236—2009)7.1中，1∶500比例尺在檢查點平面和高程最大限值分別為0.175m和0.15m，DOM檢查點計算結(jié)果符合要求，且質(zhì)量較好。
3結(jié)語
本文以北京市密云區(qū)西邵渠村無人機攝影像數(shù)據(jù)為研究地區(qū)，使用多旋翼無人機搭載高分辨率相機采集數(shù)據(jù)，在地面布設(shè)地面控制點標志并進行RTK方法測量。利用運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)匯算相機與三維信息，多視立體建模(MVS)密集匹配獲取三維點云模型，由點云生成高精度和準確的DSM、DOM;對DSM遮擋部分進行遮擋分析和紋理修補，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)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范?(GB/T23236—2009)中1∶500比例尺在檢查點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)測量的工作量并提高精度。
本文轉(zhuǎn)載自地理信息論壇 來源：《測繪通報》2018年2期 作者：劉宇，鄭新奇，艾剛
