無人機影像快速應急方法

摘要

針對無人機遙感航測系統在應急服務等時效性要求比較高的應用需求，結合當前計算機硬體發展，提出結合CUDA技術和Voronoi圖索引的紋理多尺度高效調度演算法實現無人機航空遙感影像的實時快速正攝可視化方法，該方法有別於傳統的攝影測量成圖作業處理流程，無需進行影像的正射糾正和拼接處理，直接利用原始影像實現整個測區影像的高解析度漫遊，在緊急情況下甚至可以直接利用GNSS和IMU數據，直接快速實現測區影像的漫遊；結合航空攝影數據處理流程和階段，提出了4種不同的實時可視化方案，實現效率和精度優化。最後本文利用無人機飛行的實驗數據對該方法進行了驗證，實驗結果表明該方法是可行的，對加強無人機遙感航測系統在應急服務中時效性非常有意義。

引用格式

劉鳳珠，楊伯鋼，張飛舟，等．低空無人機影像應急快速可視化方法［Ｊ］． 測繪科學，２０１８，４３（７）：９４-１０２，１０８．

正文

從第一架無人機被發明到現在，已經經歷了近100年的歷史。無人機現在被廣泛的應用於各種行業，如農業、物探、測繪、軍事、救災等，特別是近10年來無人機技術在航空攝影領域的應用越來越受到人們的關注，被廣泛的應用於航空攝影測量、地理國情監測、應急救災減災、農業遙感調查等[1]。無人機低空航測系統的出現，有效彌補了傳統攝影測量與遙感平台從地面至高空再到航天之間的低空區域空白[2]。以其靈活機動、價格低廉、安全高效的特點，彌補了傳統衛星和有人航空遙感經常受雲層和地面機場等因素限制而無法飛行的缺陷，特別是近年來國家對於1 000 m低空這個無人機系統工作的核心區域的放開，為無人機系統的發展帶來勃勃生機。近年來在國外，無人機系統的研究也是熱點問題，軟硬體的研發取得了很多成功，特別是在軟體的研發上面出現了一批優秀的商業軟體，如美國的Inpho軟體、德國的Bingo ATM軟體，美國Leica的LPS攝影測量系統[3]，瑞士的Pix4D UAV軟體，德國的GTA三維建模軟體等。國內在無人機航測系統方面取得了豐碩成果，市場上出現了一批應用於測繪的無人機系統。在軟體研發方面做了很多研究成果，如中國測繪科學研究院的Pixel Grid以及Map-AT無人機航測數據處理系統[4]，武漢大學研發的DPGrid航空攝影測量系統[5]等。無人機航測系統較傳統的航空攝影而言，優點在於靈活機動，價格低廉，方便操作等。但是由於受到其起飛重量的限制，往往無法搭載大型和航空設備，這也給數據處理帶來了很多難題。如像幅小，無法搭載大型的數碼量測相機，一般選用普通的數碼單反相機存在視場角較小、數據量大等問題。這些問題給無人機數據處理帶來困難，嚴重限制和制約了無人機航測應用於救災等應急服務的時效性。

現有大多採用數字圖像處理的快速拼接方法，如全景圖像的快速拼接、地面控制點直接幾何糾正拼接、基於特徵匹配的影像空間投影變換拼接方法[6-14]。全景影像的快速拼接方法採用基於同名點的旋轉平移變換、仿射變換進行圖像之間幾何拼接；由於沒有考慮姿態角和線元素的影像，簡單的由多項式進行擬合求解，因而拼接存在接邊誤差，對於無人航測系統而言接邊錯位更加明顯，不過也能在一定程度上滿足應急響應的需求。而對於基於地面控制點數據的直接幾何糾正方法在實際應用中存在兩個問題：控制點獲取問題和控制點密度問題，無人機影像像幅小也使得該問題更加突出，很難滿足應急數據處理要求。針對這個問題，本文在研究和分析了現有的數據處理流程基礎上，提出使用GPU技術，突破傳統的數據處理需要畸變處理、空三加密、DEM製作、正射糾正、影像勻光勻色、影像拼接的流程，直接使用原始數據和加密成果，或者直接使用原始飛行GNSS和IMU數據來實現測區數據的實時無縫漫遊，大大提高了無人機系統在應急救災應用中的時效性。

本文所提出的正攝影像與通常定義的正射影像有所區別。前者僅考慮影像的畸變、攝影外方位元素和粗略的地形投影差的糾正，實現影像從低精度到高精度的實時正攝可視化，後者往往需要高精度的DEM數據進行高精度的數字微分糾正處、勻光勻色、拼接線處理才能完成。

本文在分析了傳統攝影測量數據處理的流程的基礎上，針對傳統數據處理流程中一種比較耗費時間的流程進行優化和改進，提出了使用GPU技術結合Voronoi圖索引的紋理影像多尺度實時調度方法來實現無人機航空攝影系統數據實時可視化，結合低空無人機數據處理的流程和各個階段的成果數據的特點和處理過程，提出了4種不同的方案來保證數據應急應用的時效性，實現低空無人機航空影像的實時快速正攝可視化漫遊。試驗飛行的無人機系統數據測試結果表明：第一種方案效率最高，飛行完成即可以實現實時可視化；第二種方案兼顧效率和精度，可以很好的滿足應急救災實時快速可視化需求；第三種和第四種方案由於需要人工參與，時效性差一些，但是可以獲得高精度可視化效果。試驗結果表明本文提出的可視化方案和數據調度流程是合理且可靠的，能夠準確地實現測區數據正攝漫遊可視化操作。在運行效率上，通過使用GPU加速和Voronoi圖紋理多尺度調度演算法，系統完全能夠滿足應急情況下實時進行測區影像正攝可視化漫遊，對於增強無人機航攝系統在應急服務等中的應用有重要意義。

編輯：鄧國臣

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