基于PhotoScan的无人机航摄大比例尺DOM制作

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2023年12月28日发(作者：)

基于PhotoScan的无人机航摄大比例尺DOM制作

王勇;庞蕾;张学东;刘文茜;徐西桂;何曙光

【摘 要】无人机航空摄影测量技术是继传统航空摄影技术之后一种新型的数字航空测量技术,相对于传统的航空摄影测量具有更强的普适性和便捷性.快速有效且流程化地制作大比例尺DOM是当前摄影测量工程方面研究的热点问题,因此,文中借助PhotoScan软件设计流程化方法快速制作大比例尺DOM,重点讨论了制作大比例尺DOM过程中外业数据获取、内业数据处理应该注意的几个关键问题,并通过对实验过程与结果论证分析表明,实验中采用的流程化处理方法对大比例尺DOM制作的作业效率、作业时间等方面有很大提高,且制作精度达到了国家1:2 000

DOM精度要求.该方法在测绘应急保障与紧急决策服务方面具有一定的参考价值.

【期刊名称】《矿山测量》

【年(卷),期】2017(045)002

【总页数】5页(P14-17,51)

【关键词】无人机航空测量;大比例尺DOM;PhotoScan;内业数据处理

【作 者】王勇;庞蕾;张学东;刘文茜;徐西桂;何曙光

【作者单位】北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 102616;北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 102616;北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 102616;北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 102616;北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 102616;北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京

102616

【正文语种】中 文

【中图分类】TD171

传统航空摄影测量技术由来已久，但是由于摄影平台和数据处理系统的复杂性，无法成为测绘成图的主流方式。随着无人机事业的蓬勃发展，以及计算机软硬件技术的不断提高，无人机逐渐替代了传统的航空摄影平台，影像处理系统数字化程度也越来越高[1-3]。又由于低空无人机航摄获取地面遥感影像时，具有对天气依赖小、起降无须专用机场、成本低和成像质量高等特点[4-5]，针对大比例尺，小区域成图的测量工作更加快速便捷，因此，低空无人机测绘成图更加受到人们的青睐。目前，运用低空数码遥感影像技术生产的数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)，可满足制作1:5 000、1:2 000 和1:1 000等比例尺DOM的精度要求，由于它的成图周期短，自动化程度高等特点，在测绘应急保障中能快速提供任意比例的现状正射影像成果，满足紧急决策用图的需要，因此，如何快速有效并且流程化制作大比例尺DOM成为了当前研究的热点问题。

综上，本文借助无人机航摄获取的河南省某地航空影像，通过PhotoScan软件实验制作大比例尺DOM的流程化快速处理方法，最终获取了满足国家标准1:2 000的DOM产品。以期使该方法在测绘应急保障与紧急决策方面提供技术支持与服务。

低空无人机摄影测量制作DOM过程包括两方面：一是外业数据获取，主要是获取控制点和航摄相片，而获取数据的质量将直接影响内业处理的精度和速度。因此，外业数据获取后及时对外业数据进行检查确保提交成果符合标准是非常重要的环节。二是内业数据处理，主要包括：初始数据检查(航拍影像和相控)、流程化处理(DOM影像制作的核心步骤，包括匹配、空三解算、正摄纠正)[6-8]、DOM成果的裁剪和镶嵌、DOM最终成果检查。

尽管外业数据获取后及时进行了初步检验，也对不合格测区进行了补飞，但是由于飞行平台的不稳定性以及天气变化等原因(例如，低空云雾、曝光不足、曝光过度等)[9]，航摄影像中仍存在一些对后期DOM制作有影响的航片。这些不合格航片如果不及时处理，将导致特征点提取不足或产生偏差，进而使匹配效果不理想，最终影响DOM成果质量。实际应用中可以通过多种软件处理该问题，但是一定要保证处理前后航片数据信息不能丢失。根据实际经验，iSee图片处理专家软件可以对简单的云雾进行一键式处理，但对于存在的一些少量比较严重的云雾，以及曝光不足或过度的航片应单独通过Photoshop进行二次处理，确保最终所有航片满足制作要求。图1是去雾前后的航片对比图。

由于航飞地形的复杂性，以及飞行平台搭载相机技术等问题，当无人机经过城区、山区、以及水域等区域时获取的航片会有一定的色调差异。为了保证最终DOM影像的一致性和美观性，必须对航片进行统一的匀色处理。工程应用中常用的影像匀光软件也有很多，可根据实际需求自行选择处理。图2是通过吉奥公司的影像匀光软件处理前后的对比图。

AgisoftPhotoScan软件是一款基于影像自动生成高质量数字测量产品的优秀软件。该软件无需设置初始值，无需相机检校，具有完全自动化的工作流程。可生成高分辨率DOM影像(使用控制点可达5 cm精度)及带精细色彩纹理的DEM模型[10]。本文利用河南省某地区的航摄影像，基于PhotoScan软件进行流程化处理，最终获得了满足土地确权需求的1:2 000 DOM。

3.1 航摄数据分析

本次实验是要制作河南省某地区的1:2 000 DOM。根据CH/T 1027-2012数字正射影像图质量检验技术规程[11-12]，1:2 000数字正射影像图的精度要求为平原地区平面精度为0.4～0.6 m以内，丘陵和高山地区为0.8～1.2 m。实验使用的获取平台为电动无人固定翼飞机，摄影机采用SONY-RX1R全画幅相机，相机焦距

为35 mm，航片尺寸为6 000×4 000像素。综合实验区地理因素和航飞时段天气情况，航线设计为东西方向，总计飞行十条航线，设计行高为1 000～1 300 m，航向重叠达到70%～85%，旁向重叠不低于65%。本次航飞共获取了380张航片。无人机POS系统和外业控制测量均采用WGS84坐标系统。表1和表2为部分控制点数据和POS数据。

3.2 PhotoScan处理分析

AgisoftPhotoScan虽然具有高度的自动化处理能力，但要想快速得到质量好、精度高的DOM，必须在软件处理过程中根据实际情况及时调节软件参数，由于测区数据源的不确定性，因此，需要结合工作经验进行仔细调整。

(1)对齐照片。将照片和POS数据添加到新的工程中，检查POS数据是否和照片严格对应。对齐照片功能可以将照片根据POS点位置信息进行成对预选、提取同名特征点进行匹配处理，通过POS数据中相机信息对相机位置进行估算。

本次实验采用高精度方式对齐照片，成对预选设置为参考，这样可以利用参考POS信息使得照片选择效率提高，筛选出了60 000个关键点。

(2)导入相控点。相控点是DOM成果精度的根本保证，相控点不仅要求有足够的精度等级，对控制点的分布位置也有严格要求，控制点要分布均匀，且测区周边要有均匀的控制点分布，否则DOM成果图边缘地区容易发生扭曲变形。刺点完成以后需要对其优化，对于选刺错误、刺点误差较大的控制点进行更正，对于多次优化仍不满足要求的控制点进行删除，确保控制点的刺点误差在0.1个像元以内。根据工程经验控制点像元误差优化到0.05个像元时，制作的DOM可满足精度需求。据此，本次实验测定了15个控制点均匀分布于测区，最终优化达到了0.037个像元精度。

(3)建立密集点云。这一步是由航片制作DOM最关键的环节。根据匹配后生成的稀疏点云和精确的相控点坐标，对航片进行严格自动空三解算和加密，精确计算图

像上每一点的坐标位置。本次实验加密后的点云如图3所示。

(4)产品生成和输出。利用密集匹配和空三加密结果(同名点和控制点)对整个测区自动建立网格，根据工程要求输出符合分辨率需求的DOM。本次实验采用像元大小为0.15 m。输出时应注意，由于区域面积较大，整幅输出可能会输出失败，因此采用区块分割的方法进行分块输出，然后进行整块拼接，进而就可以获得实验区整幅的DOM成果。

3.3 DOM镶嵌与裁剪

分块输出的DOM包含了两个文件，分别是tiff格式的图像文件和tfw格式的坐标信息文件。这些区块DOM不能作为DOM最终成果。必须将其按照坐标信息进行拼接，然后按照规定的公里格网进行裁剪分割，加上相应的图框、图号才能作为最终产品。目前可以对DOM影像进行拼接裁剪的软件很多，比如ENVI、ArcGIS等。本实验采用ArcGIS的栅格图像处理工具进行拼接和裁剪工作。这里需要注意的是拼接后的DOM边缘地区一般都会发生扭曲变形(图4)，这是因为边缘地区控制点控制效果不好以及边缘航片不足，所以在航线设计时一般会在测区边缘延展设计2～3条航线，以保证整个测区DOM成果质量。

为了保证最终DOM成果的准确性和美观性，必须将拼接后的DOM变形区进行裁剪去除，才能使最终的DOM真实正确的反映地物信息。

DOM数据检查主要包括地物精度、影像质量、逻辑一致性等几个方面[13-14]。其中，精度检查是最终成果检查的核心。精度检查主要检查影像点坐标中误差、相邻DOM图幅同名地物影像接边差。DOM的平面数学精度检查主要分为内业地形图套合比对和外业实测检查[15-16]。本实验内业地形图套合比对是将测区的1:2

000地形图与获取的DOM成果进行套合比对，通过目视初步判断产品的质量情况。比对结果表明，DOM成果和地形图套合良好。外业实测检查主要依靠外业采集特征点坐标，与DOM上相同特征点的坐标进行比对。本次实验区共包含21个

图幅，随机抽取其中的6个图幅，每幅图进行对比的特征点不少于30个，结果如表3所示。

通过检查表明，随机抽取的6个图幅中最大平面位置中误差为±0.51 m，全部符合国家标准1:2 000 DOM精度要求。

本文基于无人机航空摄影获取的影像，利用PhotoScan软件，通过设计流程化处理方法制作了河南省某地区的大比例尺DOM，经过验证检查表明，制作的DOM平面精度符合1:2 000 DOM成果国家标准的要求。同时，在保证成果精度情况下，作业效率、作业时间等方面有很大提高。该方法有望在测绘应急保障中快速提供正射影像成果，满足紧急决策使用的需求。

但是实际应用中仍然存在着一些亟待解决的问题，比如，由于无人机体积小、重量轻、造成的飞行姿态不稳定、影像重叠度不规则、地物变形较大等问题。此外，PhotoScan控制点选刺和优化在整个处理流程中耗时太长，人工交互容易产生误差等方面也是值得研究的问题。

【相关文献】

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本文标签： 进行影像处理精度测绘