無人機數字航攝像控點的自動布設和整飾研究

牛 群,李 超,李林娜,史 珂,嚴杏娟,徐 敏

(1.云南交通職業技術學院 公路與建筑工程學院,云南 昆明 650500;2.云南省基礎測繪技術中心,云南 昆明 650034;3.西南林業大學 土木工程學院,云南 昆明 650224)

0 引言

近年來,無人機應用領域不斷擴展,極大地滿足了社會各行各業對高分辨率遙感影像的需求。隨著無人機機型不斷升級換代,機載供電系統不斷改進,滯空時間不斷增長,單架次有效航攝面積不斷擴大,使采集的數據成倍增加,布設的數字航攝像控點數量也成倍增加。當下,測繪型無人機PPK/RTK新技術被廣泛應用,使數字攝影測量空三加密對像控點數量要求大幅減少。

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎,滿足成果歸化到國家大地坐標系下。目前,像控點測量內業以人工操作為主,包括選點和整飾,存在操作繁瑣,人工干預多,自動化程度低等問題,且無適用的相關軟件。由此,設計開發了一款面向通用Windows平臺的自動處理輔助系統。該系統能明顯提升自動化水平,提高作業效率。

1 技術路線

通過研究像控點測量內業處理通用技術路線,依據相關國家和行業標準[1-3],參考生產實踐經驗,不斷進行改進優化,總結了一種像控點測量內業處理技術路線,見圖1。

2 開發方式

本文使用主流的Windows平臺應用程序開發環境Visual Studio,基于WinForm框架,采用C#高級程序設計語言,開發了自動處理輔助系統。

Visual Studio是微軟公司推出的一個基本完整的開發工具集,WinForm框架可根據自身需求設計有特色的窗體和可視控件,結合彼此交互性更好的C#編程語言,可在.NET開發平臺中創建豐富的基于Windows的應用程序[4]。

3 關鍵功能實現

3.1 區域網自動布點

無人機數字航攝采用區域網布點,航攝結束后,通常將機載POS和原始影像簡易處理制作高分辨率快拼圖,作為像控點布設底圖,雖地物判讀準確,點位選定便捷,但原始數據拷貝和數據處理耗時長。系統僅將POS自動轉換為KML地標性文件,無需制作快拼圖,與時效性強的在線衛星地圖疊加,依據相關國家和行業標準[1-3],考慮數字航攝類型、成圖比例尺、輔助定位定姿設備,計算布設參數,確定相鄰像控點航向基線和旁向航線跨度等,在固定區域內人工概略選點,生成像控點分布KML文件。

程序讀取POS(StreamReader),按照XML語法格式自動轉換為KML文件(StreamWriter),關鍵代碼如下：

streamwriter.WriteLine("");

streamwriter.WriteLine("");

streamwriter.WriteLine("");

…

streamwriter.WriteLine(" ");∥單張像片信息

streamwriter.WriteLine(" ");

streamwriter.WriteLine(" ");

streamwriter.WriteLine(" ");

streamwriter.WriteLine(" ");

streamwriter.WriteLine(" ");

streamwriter.WriteLine("");

…

streamwriter.Write("");

streamwriter.Close();

在線衛星地圖分辨率低,只能進行概略選點,達到避開植被茂密及建筑物和構筑物稀疏區域,滿足交通便捷。因此,程序將像控點和像片的地理坐標變換為投影坐標,對每個像控點,遍歷所有像片,計算兩者間距離,按最鄰近規則自動提取最小范圍內單張像片,利用原始分辨率單片確認點位。如點位有較大改動,處在單片邊緣或不在單片內,需重新進行單片提取,再次確認點位。同時,對于像控點測量外業觀測,單片也能輔助技術人員現場判讀點位或重新選點。

3.2 外業采集數據自動整理

針對像控點坐標測量,普遍使用省級或千尋CORS網絡RTK。依據相關行業標準[6-7],每個像控點觀測2次,系統自動讀取點位觀測原始文件(StreamReader),取中數,對同一分區,按點名數字位升序排列(冒泡排序法[5]),生成點位觀測順序表和像控點成果表(StreamWriter)。

為了便于技術人員空三刺點,現場需拍攝點位遠景和近景照片各一張,遠景即反映點位與周邊特征地物的相對位置關系,近景要求拍攝對中桿桿尖落地處(地面點)或接收機天線座底部(非地面點)?，F場照片無需人工更名,系統能自動獲取全部的拍攝時間(System.Drawing.Image.FromStream、System.Drawing.Image .PropertyItems),按先后順序(冒泡排序法[5]),匹配點位觀測順序表,實現現場照片重命名。

3.3 數字刺點片自動制作

數字刺點片能輔助技術人員準確判讀點位,便于點位信息存檔。初始需人工確定點位,在單片Maximum(300%)比例點擊準確位置(PrickPoint),系統便自動添加固定標識和截圖范圍,并居中顯示,進而一鍵截取相應尺度點位(Intercept Maximum/Intercept Middle/Intercept Minimum),隨即順次多尺度變換到Middle(100%)、Minimum(25%)比例進行截圖(見圖2),同時鏈接像控點屬性值和成果表,利用iTextSharp.dll(iTextSharp.text、iTextSharp.text.pdf)開源類庫自動生成符合相關國家和行業標準[1-2]的PDF格式數字刺點片,見圖3。

圖2 點位多尺度截圖Fig.2 Multi-scale screenshot of point position

圖3 數字刺點片成果Fig.3 Achievement of digital punctate photo

點位多尺度截圖尺寸為Maximum(500×500)、Middle(500×500)、Minimum(440×880)。如點位靠近單片邊緣,Minimum(25%)比例點位截圖會有缺失。此時,截圖范圍能提供關鍵參考,輔助確定單片平移量,使點位截圖滿幅。

4 應用試驗

按前述的像控點測量內業處理技術路線和關鍵功能實現方法,設計了無人機低空遙感影像區域網定向輔助系統,見圖4。圖中從左至右依次為POS預處理、布設參數計算、點位單片提取、坐標測量數據整理、現場照片重命名和數字刺點片制作,各功能模塊操作界面見圖5。

圖4 無人機低空遙感影像區域網定向輔助系統Fig.4 Oriented auxiliary system for UAV low-altitude remote sensing image in regional network

圖5 各功能模塊操作界面Fig.5 Operation interface of each function modules

系統結合云南省地質災害隱患識別中心建設滇西三江地區航攝影像獲取及正射影像制作項目,項目目標即開展遙感手段的地質災害隱患識別分析,切實提高云南省地質災害隱患識別水平和防治科技支撐能力。對2萬km2項目區,按功能模塊順次操作,高效完成了像控點測量內業處理。

5 結束語

應用試驗驗證了系統的有效性,系統達到設計的目標,最大限度地提升了相關操作的自動化水平,盡可能減少用戶干預,減少工作冗余,明顯降低了對操作人員專業能力和配備數量的要求。系統實現了像控點測量內業處理的規范化和標準化,能高效指導生產,顯著提高作業效率,在行業內具有一定的推廣意義。