探讨基于AgisoftMetashape和天工软件的低空无人机空三精度提高方法

朱闫霞 王立淑 陶晶

摘   要：目前，由于消费级相机和无人机UAV的出现，使得航测入门低，数据获取极方便，当然也带来了一系列数据后处理的技术问题，其中空三精度的处理就是典型。本文针对低空无人机数据的空三加密流程进行了探讨，从只使用常规单一摄影测量软件进行空三处理与先使用Agisoft Metashape软件进行空中三角测量输出畸变改正后像片再使用常规摄影测量软件进行空三处理的空三精度进行了对比，总结出了提高低空无人机空三精度的方法。

关键词：低空无人机UAV  Agisoft Metashape软件  GodWork天工软件  空三加密  相机自检校  方法技巧

中图分类号：P627                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（b）-0076-02

由于低空无人机机动灵活，对起降场地要求低，可以进行低空云下飞行，对气象条件要求不高的优点，使它成为传统航空摄影的有力补充，并且在测绘领域的应用十分广泛。但是低空无人机由于飞行平台质量轻，抗风能力较大型运输飞机差，并且因受到飞机载重和飞行运维成本的制约而常常不使用飞行云台搭载相机，导致低空无人机获取航拍影像时姿态不稳定，航摄像片的旋偏角、仰俯角、横滚角、像片航向和旁向重叠度、航线弯曲度等相关姿态参数较差。低空无人机所使用的相機均为民用消费级单反相机不是专业的量测相机，导致获取的像片畸变比较大并且畸变不稳定。以上特点给后期空三加密保证精度提高带来了很大难度。

目前国内学者对低空无人机数据空三加密只使用一种摄影测量软件进行，在实际生产过程中，空三精度需要耗费大量的时间，而结果有时还差强人意。本文在通过项目案例数据测验，寻求快速提高空三精度的方法。实验结果表明，要得到较高精度空三成果通常需要借由两种方式：一是使用大量控制点提高精度，二是使用高精度像片POS数据和少量控制点共同提高精度。而借助于大量控制点这种方法来提高空三精度，需要增加野外的工作量，若是困难地区，更是提高了项目成本和难度，建议依据项目情况选择性使用。而利用空三解算时加入高精度像片POS数据，仅是在内业处理流程上，相对省时省力。而在内业空三解算时，由于低空无人机是均为民用消费级单反相机不是专业的量测相机，导致获取的像片畸变比较大并且畸变不稳定，给后期空三精度解算带来看极大的影像。

本文以我国中部地区某县为研究区域，从只使用常规单一摄影测量软件进行空三处理与先使用Agisoft Metashape软件进行空中三角测量输出畸变改正后像片再使用常规摄影测量软件进行空三处理的空三精度进行了对比，总结出了提高低空无人机空三精度的方法。

Agisoft Metashape软件是由成立于2006年，位于俄罗斯圣彼得堡的Agisoft LLC公司研发的一款软件，作为一家专注于计算机视觉技术的创新研究公司，通过多年的密集研发工作，Agisoft LLC获得了图像处理算法方面的专业知识，为数字摄影测量技术为应用工具的开发指明了新方向。该软件具有较强的自动点匹配能力、高精度的点位预测能力和非常全面的像片畸变校正能力，相机自检校功能可对像片进行相机校正估计矩阵和包含非线性失真系数的估计等多种估计校正。对像片姿态和像片畸变改正要求低非常适合无人机数据处理。但其空三结果目前不能支持多种格式灵活输出到立体测图和数字正射影像制作软件中，给后续数据处理带来了麻烦。

GodWork天工软件是由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室郭丙轩教授针对无人飞机像幅小、姿态不稳定、重叠度大、非专业相机等特点，提出并研制成功的无人机摄影测量数据自动处理系统。但其在像片畸变较正能力上较弱，只能根据工程内相对匹配点较多且均匀的40张像片进行常规相机参数估计，然后将估计参数应用到整个工程。

GodWork天工的相机自检校功能较Agisoft Metashape要差一些，尤其对于相机畸变不稳定的数据，天工自检校效果比较差，导致空三精度控制成本升高，需要借由控制点或者高精度照片POS作为额外的控制约束条件。但是天工作为一款专业摄影测量软件，自动化水平非常高，同时支持多种格式空三成果导出供后续测绘产品生产。

鉴于上两者系统的优缺点有互补性，尝试使用两者结合的方式，优化空三作业流程，提高空三精度的效率，降低人工成本。利用Agisoft Metashape先解算一遍空三，得到其高精度的像片姿态和像片畸变改参数，然后利用自动化程度较高的GodWork天工软件，进行后续完整空三解算，输出符合项目精度要求的空三成果，为后续3D产品制作提供精度保障。

1  Agisoft Metashape和天工软件空三加密流程

在进行空三加密之前，需要先做好数据准备工作。数据准备包括：低空无人机获取的原始数码影像、相机文件、pos数据（X、Y、Z、Omega、Phi、Kappa等影像初始外方位元素）、外业像控测量成果（包括点之记和坐标成果表）。

Agisoft Metashape空三加密包含如下步骤：

建立工程：导入像片、初始相机参数输入、POS和像控点数据导入。

对齐照片匹配连接点：在“Align Photos”中选择匹配连接点精度（DLG立体测图空三精度选择High），勾选“Generic preselection”和“Reference preselection”，高级设置勾选“Adaptive camera model fitting”，点击OK即可开始空三连接点匹配工作。

控制点量测：首先在控制点列表选中一个控制点右键菜单选择“Filter Photos by Markers”，程序会自动筛选出有该控制点的所有像片，然后在“Photos”列表中依次双击每一张筛选预测出的照片进行像控点的量测并保存。

空三平差：选择“Optimize Camera Alignment”，在對话框中勾选所有相机自检校畸变参数类型，进行自检校平差。

精度检查：平差完成后，通过像控点列表查看控制点精度，对不满足精度的控制点进行调整直至精度满足要求为止。连接点精度通过匹配的连接点点云进行三维立体查看对于匹配错的异常飞点进行直接删除，连接点较稀少区域可以直接局部重新匹配连接点。也可输出整个工程的处理报告进行精度判断。

控制点量测、空三平差和精度检查这3个步骤循环进行，直至满足精度要求。

输出畸变改正后影像：精度合格后选择“Undistort Photos”勾选“Correct distortions”、“Center principal point ”、“Square pixels”进行即便改正片输出工作。

2  Agisoft Metashape和天工软件空三加密精度提高方法探讨

低空无人机空三加密采用两种方案：方案一是利用原始数据只使用天工软件做空三加密;方案二是先使用Agisoft Metashape软件做一次空三加密输出畸变改正影像和相机自检校参数作为原始数据再使用天工软件进行一次空三加密。

本文用于实验区域影像933张，控制点GCP共43个，主要地形为山地，实验区概况见图1。从表1可知，方案二中的控制点平面和高程误差的平均值、最大值明显小于方案一，高程误差明显减小，两种方案误差的最小值几乎不变。

3  结语

以低空无人机数码影像为数据源，采用先使用Agisoft Metashape软件进行一次空三加密相机自检校后输出畸变改正后影像和相机自检校文件作为天工软件空三的原始数据进行后续天工空三加密工作的作业方式，能够很大程度上提高空三加密精度。

参考文献

[1] 张剑清，潘励.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，1997.

[3] 李勇军，左娟.构架航线在无人机航摄中的应用[J].测绘与空间地理信息，2017（2）：69.