低空攝影測量航帶重構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法研究孟浩東

低空攝影測量航帶重構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法研究孟浩東

摘要：相比傳統(tǒng)的航空航天攝影，低空攝影在平臺、飛行高度、傳感器、攝影姿態(tài)等方面存在較大差異，以及平臺飛行過程中易受氣流等外力影響，使得獲取的影像存在覆蓋面積小、像幅數(shù)多、重疊度不規(guī)則、旋偏角大等問題，同時快速響應(yīng)是低空攝影測量的一大優(yōu)勢，高自動化、快速處理影像數(shù)據(jù)十分重要。因此，低空攝影測量給可靠、高效、自動地數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求，傳統(tǒng)航空攝影測量方法已無法滿足低空攝影測量的需要。文章重點(diǎn)就低空攝影測量航帶重構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究分析，以供參考和借鑒。關(guān)鍵字：低空攝影測量；航帶重構(gòu)；數(shù)據(jù)處理；研究引言低空攝影測量由于攝影高度較低，云霧產(chǎn)生的遮擋影響更小，在某種程度上可對這航空和衛(wèi)星攝影測量方式進(jìn)行補(bǔ)充，且具有機(jī)動靈活、便捷、快速高效等優(yōu)勢，可大為提高數(shù)據(jù)獲取效率和減小對攝影環(huán)境的依賴，已廣泛用于民用和軍用領(lǐng)域，特別是在資源勘察、災(zāi)害監(jiān)測、城市三維建模、地形測繪與快速更新等方面應(yīng)用優(yōu)勢明顯。近年來，尤其是以無人機(jī)作為平臺的低空攝影測量在汶川與玉樹震后等災(zāi)情監(jiān)測方面取得了顯著成效，及時快速地為災(zāi)情評估、應(yīng)急決策、救災(zāi)指揮和災(zāi)后重建等提供了數(shù)據(jù)支持。1航帶重構(gòu)研究現(xiàn)狀航空攝影測量數(shù)據(jù)預(yù)處理中，航帶排列是重要的步驟之一，這個過程也可視為航帶的重新構(gòu)建，即航帶重構(gòu)，旨在恢復(fù)影像間前后和上下相互重疊的序列關(guān)系，為后期影像處理構(gòu)建初始的影像定向關(guān)系。國內(nèi)外低空航測影像處理中，航帶重構(gòu)主要有兩種方式：第一，手工構(gòu)建航帶關(guān)系。這種方法主要依賴專業(yè)人員判斷影像相互重疊關(guān)系來構(gòu)建航帶影像序列，國內(nèi)主流的低空影像處理軟件DPGrid、PihelGrid、DPMatri航帶重構(gòu)主要采用這種方法；第二，利用GPS/IMU即POS數(shù)據(jù)自動構(gòu)建航帶。這種方法是根據(jù)GPS坐標(biāo)確定影像前后和上下重疊關(guān)系，并根據(jù)IMU記錄的姿態(tài)角來旋轉(zhuǎn)影像。國內(nèi)的DPGrid低空處理模塊可利用POS數(shù)據(jù)構(gòu)建航帶。航帶重構(gòu)方法除了人工方式和利用POS等外部輔助信息外，也存在根據(jù)影像間內(nèi)部關(guān)聯(lián)來構(gòu)建航帶影像序列。在國內(nèi)相關(guān)研究較少，國外的全景影像合成軟件無需人工干預(yù)即可拼接影像。此外，國外研究影像關(guān)聯(lián)也針對無序影像處理，這種方式更加靈活，不因外部輔助信息的缺失而受到影響，也不需人工干預(yù)即可自動完成。2低空攝影測量航帶重構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法目前航空攝影測量數(shù)據(jù)處理過程中，航帶排列大都需要通過手工方式重新構(gòu)建航帶影像序列，確定航帶中各影像位置，并需旋轉(zhuǎn)各影像，這種航帶構(gòu)建方式需專業(yè)人員操作，耗時且易出錯。因此，高效自動構(gòu)建航帶影像序列對于低空影像數(shù)據(jù)快速處理具有重要意義。除了手工方式重構(gòu)航帶外，若航攝系統(tǒng)搭載了可記錄各航片定姿定位POS數(shù)據(jù)的GPS/IMU設(shè)備，則利用數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動重構(gòu)航帶。然而由于不同的POS設(shè)備記錄數(shù)據(jù)格式不一致，無法利用通用接口程序讀取POS數(shù)據(jù)，還需人工干預(yù)來完成航帶重構(gòu)。而且以民用無人機(jī)為代表的低空攝影測量系統(tǒng)可能因受飛行平臺載荷或成本等條件制約，未搭載POS系統(tǒng)，則無法借助POS數(shù)據(jù)重構(gòu)航帶。因此，利用POS數(shù)據(jù)這單一外部信息可能無法完全滿足低空攝影測量影像自動重構(gòu)航帶的需要。除了上述方法外，也可通過影像全匹配方式重構(gòu)影像航帶關(guān)系，但計算量巨大，運(yùn)算速度太慢，無法滿足數(shù)據(jù)快速處理的需要。本文研究利用影像檢索算法查詢相關(guān)影像，并通過幾何圖理論構(gòu)建影像關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和核線約束剔除誤關(guān)聯(lián)影像，實(shí)現(xiàn)低空影像航帶自動重構(gòu)，無需人工干預(yù)即可排列航帶。2.1航帶重構(gòu)常用方法手工重構(gòu)航帶以手工方式構(gòu)建航帶，主要依靠專業(yè)技術(shù)人員知識和經(jīng)驗(yàn)判別影像重疊區(qū)域來重新構(gòu)建影像在測區(qū)航向和旁向中的分布位置，并依照條帶的方式排列各影像，航向與旁向m×n序列像排示例。2.2POS數(shù)據(jù)支持下的航帶自動重構(gòu)若航攝系統(tǒng)搭載GPS/IMU設(shè)備，則可依靠所獲POS數(shù)據(jù)確定影像在測區(qū)中的位置和各影像的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。通過GPS記錄的各影像拍攝曝光點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建航線，利用IMU記錄的姿態(tài)角中的偏航角對影像進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)利用POS數(shù)據(jù)自動重構(gòu)航帶。2.3航帶影像序列關(guān)聯(lián)前面所述的兩種方法因存在局限性，本文研究無外部信息支持的航帶自動重構(gòu)方法，該方法以影像檢索算法快速查找與標(biāo)影像相關(guān)的影像集，利用幾何圖理論和核線約束副除誤關(guān)聯(lián)影像，并根據(jù)整個測區(qū)的同名點(diǎn)構(gòu)建各影像在自由坐標(biāo)系中的相對位置即各影像在測區(qū)中的分布位置，動重構(gòu)低空影像航帶序列，無需人工干預(yù)或外部信息即可排列航帶。本文研究航帶自動重構(gòu)流程如圖2所示。圖2航帶自動重構(gòu)流程基于內(nèi)容的影像檢索是否滿足航帶重構(gòu)需要，其準(zhǔn)確性和效率十分重要。當(dāng)前利用詞匯樹進(jìn)行影像檢索是研究熱點(diǎn)之一，該方法主要包括兩個關(guān)鍵步驟：詞匯樹構(gòu)建與相似性評價。首先，提取影像庫的特征并通過聚類分析構(gòu)建詞匯樹即形成視覺詞匯自上而下的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后通過查詢影像特征遍歷詞匯樹中的結(jié)點(diǎn)，利用相似性度量確定關(guān)聯(lián)影像。詞匯樹的優(yōu)勢在于比對過程中無需遍歷所有特征向量，檢索效率高?？焖夙憫?yīng)是低空攝影測量一大優(yōu)勢，若航帶動重構(gòu)速度較慢，其實(shí)用性也無法體現(xiàn)，本文研究低空影像航帶自動重構(gòu)需兼顧準(zhǔn)確性和高效率。但與普通的影像檢索有所不同，低空影像自動重構(gòu)是在測區(qū)內(nèi)影像進(jìn)行重排，只需關(guān)聯(lián)測區(qū)內(nèi)影像，無需與外部影像比對。低空影像中每一影像在測區(qū)內(nèi)檢索關(guān)聯(lián)影像，并形成各影像之間的關(guān)聯(lián)絡(luò)，與普通影像檢索類似，首先需構(gòu)建詞匯樹，但不同的是把測區(qū)各影像中子區(qū)域特征向量量化到詞匯樹中特征聚類簇即結(jié)點(diǎn)上，把每一影像轉(zhuǎn)為向量表示，然后比對各影像之間描述向量的相似性進(jìn)而確定關(guān)聯(lián)影像。結(jié)束語綜上所述，本文對航帶自動重構(gòu)的低空攝影測量數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了分析研究，在相機(jī)標(biāo)定、航帶重構(gòu)、影像匹配等方面取得了一些成果，但存在一些問題，仍需進(jìn)一步工作和研究來完善和改進(jìn)。參考文獻(xiàn)：[1]彭大雷，