无人机航摄自动化处理系统设计

尚海兴

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在软硬件技术日新月异的发展推动下，应对面积大、工期紧、实测成本高的大比例尺地形图测绘任务，低成本、高效灵活的无人机航测手段已然成为主要测绘方案[1-4]。航测高精度后处理软件已经趋于成熟，而适用各类型框幅式传感器的无人机航摄设计、成果整理发布的自动化和标准化、辅助像控设计、辅助空三整理等功能暂时无成熟商业软件可用。无人机航摄数据采集、数据整理与质量评价、数据格式转换、航摄成果标准化归档、辅助像控设计与辅助空三整理等工序往往均采用人工逐步整理，数据格式无法实现批量标准化整理，航摄成果质量无法快速评估，容易造成航摄漏洞，复飞返工的经济成本和实际成本较高[5]。为让航摄人员简易规范地提交一套航外人员使用方便、航内空三加密人员操作舒心的航摄数据，开发一套高效衔接航摄与航内空三加密工序的无人机航摄自动化处理系统很有必要。

1 系统分析与设计

1.1 系统分析与数据库设计

为方便系统管理和后期维护，整个系统文档和属性数据采用数据库管理方式，海量影像数据采用文件存储、软件调用方式管理，以项目为基本单元进行航摄项目系统管理。

无人机航摄自动化处理系统主要包括：项目管理、严密航线设计、像控点精度估算、飞行监控、航摄影像质检、航摄数据跨平台转换、航摄成果自动归档等主要功能。其主要特色有：① 严密的航线设计模块。根据测区地形和范围、航摄质量与测图精度估算，模块内的相机库涵盖了大型专业航摄仪、主流无人机航摄仪、大疆旋翼航摄系列相机及用户自定义相机等22款相机参数，便于行业推广。② 航摄影像的快速质检功能。根据现场快拼的质检报告来评估是否补飞复飞。③ 航摄数据跨平台转换功能。可方便航外像控点可视化布设及内业空三快速添加像控点。④ 航摄成果库管理与快速标准化提交与归档。基于上述功能分析，系统构架如图1所示。

图1 系统架构示意图

数据库系统建设是航摄项目资料提交、归档、查询、管理的重要支撑。主要的数据表有：① 航摄飞行记录表。记录飞机工作状态。② 项目信息表。结合测区范围矢量信息和航摄飞行记录表用于项目航摄资料归档管理与查询。③ 航线设计信息表。用于生成制式航摄技术设计报告。④ 影像质量信息表。结合航线设计信息表共同生成航摄技术总结报告。

1.2 系统功能模块

1.2.1 项目管理

新建项目后，系统会建立制式工程文件夹，根据项目ID写入项目管理数据库文件。飞行前，同时将航线设计信息写入库文件。航摄后，加载航摄原始影像信息，进入航摄影像快速质检与跨平台转换，同时进行像控点可视化布设。航摄任务结束后输出工程档案自动进行完整资料归档，归档资料均为自动和标准制式报告，大幅减少人工整理工作量，降低出错概率。

1.2.2 航线设计与航飞辅助监控

航线设计最为关键是根据摄区地形条件和传感器参数(航摄相机)计算最佳航摄飞行高度、航线间隔、相机曝光间隔、最低和最高点分辨率、最大和最小重叠度、像片数估算等航摄参数，这些参数是安全飞行和航摄质量达标的关键参数，是测绘成果精度控制的重要环节。

航飞辅助监控主要目的是在无人机起飞后地面系统接收自驾系统实时回传信号，根据飞机的飞行参数设置航油、航电、航时的安全阈值，确保飞机在最大的影像获取效率下安全返航。

1.2.3 航摄影像质量检查

无人机航测外业数据质检的功能是在飞行后，即时检查飞行成果是否合格。软件可根据机载差分GNSS或概略POS位置和原始影像。对原始影像进行降采样处理后的金字塔影像，使用数字航摄影像快拼技术[6]，直观展示飞行成果信息，及时发现漏片漏POS点的情况；自动计算影像间重叠度，检查飞行成果的重叠度(旁向和航向)是否合格；并输出飞行质量成果检查报告，用户可据此判断飞行成果是否符合要求，是否需要补飞或重飞，可有效降低外业航摄周期和成本。

1.2.4 像控点精度估算与基线间隔

像控点的布设方案与航线设计方案息息相关，当航线确定后，依据测区范围、实际地形起伏和相机参数，合理计算后确定最佳基线间隔，其目的是：在能确保空三加密精度(包括平面和高程精度)达标前提下，最大限度减少外业像控点布设密度，从而降低成本，加快工程进度，提供作业效率。

1.2.5 影像预处理

当前市场绝大部分无人机可见光航摄相机均采用非量测型相机，镜头存在畸变差，它会严重影响空三匹配精度，使得模型上下视差和模型接边差很大，测绘成果无法达到航测规范精度要求。该模块可根据相机检校参数对原始影像进行严密的畸变误差纠正，使空三精度满足航测内业规范精度要求。该模块可批量实现各影像格式转换和降采样处理，为快拼匹配做预处理。

1.2.6 跨平台格式转换

航摄成果是为航测内业空三加密流程服务，系统可根据自驾仪原始POS格式进行坐标系统、航摄影像格式和命名等数据接口之间的转换，确保航内人员可简洁、直观地进入空三程序。跨平台POS格式转换也可用于像控点布设方案可视化调整。

1.2.7 航摄数据归档与航摄报告自动生成

航摄数据归档依据国家规范制定无人机航摄资料归档模板，程序根据对应航线设计方案、质检报告和整理后的文档、影像资料自动生成航摄报告，实现自动化、标准化资料报告归档。

2 系统实现与应用

为实现上述功能，笔者采用Microsoft Visual Studio编译平台，运用Visual C++的MFC微软基础类库进行程序设计与开发，产品以互动性友好的对话框方式实现人工交互与各数据平台数据接口转换。程序在设计之初对国内外无人机航摄市场进行了广泛调查，软件内涉及的航摄相机型号与参数、自驾仪数据格式、数据产品输出接口格式适用于市场众多主流型号，同时开放了自定义参数设置，软件具备较强的行业推广应用价值。

图2 主流航摄相机库图

2.1 航线设计

航线设计主要依据航高与地面分辨率关系和相机参数推算航摄参数，相机库包含了市场大部分航摄相机参数，如图2所示。程序设计需要考虑现有市场各款主流相机参数、航线安全飞行高度过低警告、最低点分辨率过低警告、最高点航向/旁向重叠度不足警告及误操作弹窗警示。航高与地面分辨率计算关系为：

(1)

式中：h为相对航高，m；f为镜头主距，mm；a为像元大小，mm；GSD为地面分辨率，m。

2.2 航摄影像质量检查

软件可根据机载差分GNSS或概略POS位置和原始影像，直观展示飞行成果信息，及时发现漏片丢POS数据的情况；自动计算影像间重叠度，检查飞行成果的重叠度(旁向和航向)是否合格；并输出飞行质量成果检查报告，用户可据此判断飞行成果是否符合要求，是否需要补飞或重飞。影像质量检查基于无人机影像快拼技术，加载原始影像和POS文件，计算各片的重叠度，在快拼图中叠加重叠度信息标识，并自动输出质检报告。质检功能、重叠度计算与标识如图3所示。

2.3 像控点精度估算与基线间隔计算

像控点的布设方案与航线设计方案相关，当航线确定后，参照航摄规范[7-8]、测区地形实际起伏和相机参数，合理计算后确定最佳基线间隔。像控点航向基线数跨度估算公式如式(2)和式(3)所示，像控点精度估算与基线间隔计算如图4所示。

用户需要导入测区范围和加载全球DEM，根据测区所需技术指标，输入对应参数，系统会自动计算出“航高”和“航向重叠度”，用户如需提高精度可以手工修改。点击“自动布点”按钮可以输出自动布点文件，在Google Earth环境下打开自动布点文件可视化布设像控点和点位密度优化。

(2)

(3)

式中：ms为连接点(空三加密点)的平面中误差,mm；mA为连接点(空三加密点)的高程中误差,m；K为像片放大成图倍数；H为相对航高,m；b为像片基线长度,mm；mq为视差量测的单位权中误差,mm；n为航线方向相邻平面控制点的间隔基线数。

图3 重叠度计算与标识图

图4 像控点布设与精度估算图

图5 POS文件一键快速整理与坐标转换图

2.4 影像预处理与跨平台格式转换

针对无人机搭载的非量测型航摄仪，根据相机检校参数对原始影像进行严密的畸变误差纠正是第一步预处理，立体测图阶段可有效消除立体模型上下视差，是测图高程精度达标的关键步骤。系统支持北京普洛特UP系列、成都纵横系列等主流自驾仪原始POS格式的坐标转换、影像格式转换、影像文件批命名，确保航内人员可简洁、直观地进入空三工序。POS文件一键整理与坐标转换功能如图5所示。不同的摄影测量工作站需要的影像格式各有不同，有时为提高匹配效率，需要多次匹配，需要降采样影像；调绘片制作也需要重采样影像并转换格式冲印，该功能可以实现批量自动转换。

2.5 航摄数据归档与航摄报告自动生成

航摄数据归档依据文献[8-9]制定无人机航摄资料归档模板，基于程序把相关航线设置和整理后的资料进行航摄报告自动生成，减少航摄人员大量人工整理时间，并使得归档资料和航摄报告的标准化批量输出，软件输出的制式归档资料清单模板见图6。

图6 归档资料清单模板图

3 结 语

软件在实际生产中经航内和航外人员持续测试与修改，累计航摄生产优于0.18 m高分辨率低空遥感影像近10 500张，航摄测制大比例尺地形图(1∶2 000)面积约1 200 km2。无人机航摄自动化处理系统以航摄工程为基本管理单元，基于数据库管理方式实现无人机航线设计、飞行监控、数据自动整理与质检、数据格式转换、像控点自动布点优化、航摄数据跨平台转换、航摄成果标准化归档等功能，有效衔接航外工作和航内空三工序，大幅降低航摄成本，明显提升航摄效率，实现了航摄产品提交和归档的标准化。软件涉及的航摄相机型号与参数、自驾仪数据格式、数据产品输出接口格式适用于市场诸多主流硬件和航测软件衔接，同时开放了自定义参数设置，软件具备较强的行业推广应用价值。