无人机航摄成图技术在山杏种质信息采集上的应用

张云程

(辽宁朝阳喀左县林业种苗技术服务中心,辽宁 喀左 122300)

1 控制点布局与获取

1.1 应用设备与准备

应用设备有数码相机、三脚架、中点可折叠杆及GPS。采用“千寻位置”高精度定位，无需自建基站，通过千寻网络高精度定位服务，接入测量地理信息采集终端设备，实现像控点布局与获取。平面坐标系为WGS84，高程使用正常高。

1.2 控制点布设

控制点标志要明显、清晰，航拍之前要把控制点用红色或其他具有明显颜色的油漆画成“L”型或+型，选择控制点还要避开遮挡相机的实物，比如较窄沟、高大山或树木等阴影、陡坡、较圆的山顶部、高楼或房一角、围墙角、水源、地形地貌容易改变的位置等。

1.3 控制点观测采集

用GPS对控制点信息至少进行两次观测采集，两次共采集60个历元，一次30个，时间间隔1秒，当天观测采集的数据，由电脑管理员负责导入计算机，并备份保管。在观测采集时不要用通讯设备，雷雨天气停止观测采集。两次观测数据要进行对比，平面较差和大地高较差超过5cm，要再观测一次，达到要求即可，如果达不到要求，过一定时间再进行观测采集。

1.4 无人机航拍要求

用无人机对GPS观测采集控制点航拍，航拍照片要多张，近照和远照搭配进行。近照可1张或多张，一定要清晰可见GPS天线位置、中点可折叠杆的中点和触地点、三脚架触地点等；远照可4张以上照片，将清晰可见控制点周边的地形、地貌和所有的建筑物、水塘、水坝、林木、道路、沟壑等。观测采集和航拍后，要详细记录控制点位置和周围地形地貌及其他有关实物，对控制点和航拍片进行对应编号，在记录纸上画出粗略图，并做好标记，防止搞错。首先把测量单位写上，其次把设备高度保留3位小数记下来，作为控制点高度输入电子手簿保存。

1.5 形成控制点信息数据

一是在电脑上建立文件夹，有多少个控制点建多少文件夹，将控制点航摄照片导出放入各自的文件夹。二是导出GPS观测数据并整理坐标数据成果表，制作控制点CSV文件。利用ArcGIS软件添加XY数据功能，将控制点导入地理信息系统，对照纠正错误点后形成控制点信息数据。

2 无人机航摄

2.1 无人机航摄任务建立

应用的无人机分别为大疆精灵3A和大疆御2Pro。无人机航摄控制是通过DJI GS Pro软件飞行任务实现，模式为测绘航拍区域模式。按1∶500航测法成图要求，在兼顾航摄效率同时为提高成图精度，确定地面分辨率为0.04m。为适应不同信息提取任务需要，建立3类飞行任务，即园区总体测绘、种质资源区测绘和区组测绘。园区总体测绘取云台仰俯角度为-90°，航向重叠度取82%，旁向重叠度取65%。种质资源区测绘和区组测绘采用十字航摄测绘模式，云台仰俯角度为-75°，航向重叠度取82%，旁向重叠度取65%。用单镜头实现多镜头倾斜摄影的效果，需要注意的是在航摄任务规划时，要按目标边界要素最小凸面进行设计，这样才能保证精度，方法是利用ArcGIS软件的最小边界几何工具实现。

2.2 无人机航摄数据处理

1)影像批量命名。利用photoshop Bridge 软件处理，先批量选中影像，打开批量命名工具，命名规则为：字符+日期+时间+序号，点击重命名按钮。

2)影像地理信息提取。利用ArcGIS软件的地理标记照片转点工具进行影像地理信息提取，从中获取每张照片空间位置、路径、文件名等信息。按空间位置、时间要素等条件批量选择照片，并实现拷贝、转移和删除照片工作。

3)影像批处理。在Excel 2007 软件中打开相片文件列表，通过公式如，="COPY "& C1 & "F:ZYQ1"(C1为照片文件列)批量建立文件处理命令，样式如COPY F:资料ZY201910Q2DJI_0034.JPG F:ZYQ1，将命令拷贝到记事本中后，保存为扩展名为.bat文件。

4)航摄影像概述。全区航摄共分解4个飞行任务，无人机共计起落12架次，作业时间约5小时，拍摄影像3180张。资源区航摄共分解2个飞行任务，无人机共计起落6架次，作业时间2小时，拍摄影像1720张。

3 航测成图关键技术

应用计算机视觉数据处理软件(Pix4Dmapper)。通过该软件对无人机影像进行处理，得到影像点云、数字正射影像和数字高程模型。

3.1 基础数据处理

基础数据包括影像、POS和控制点数据。这些数据是在控制点信息观测采集时取得的，对这些数据在航拍时要进行检查和处理。

3.2 建立工程导入数据

打开Pix4Dmapper软件，选项目的新建项目，在弹出对话框设置工程属性，选航拍项目，不勾倾斜航拍及地面摄影，输入工程名称，创建路径(名称和路径不包含中文字符)，选新建项目，选下一步，点添加图像，选加入影像，影像路径(不包含中文字符)可不在工程文件夹中，点Next。

3.3 设置影像属性和加入控制点

一是POS数据地理坐标默认是WGS84地理坐标；二是从文件读取POS文件；三是识别影像相机型号；四是修改高度值。如果发现高度值浮动很大时，用固定值批量替换高度值，处理后能大幅度提高精度，确定各项设置后，点Next下一步，点Finish完成工程建立。 单击“项目→像控点编辑器”，在像控点编辑器中，选择导入像控点，设置像控点坐标，导入像控点文件(CSV格式)。

例如：在进行准备活动的时候，老师可以使用称为“呼叫动作”的游戏而不是体操，这样比传统的准备活动更加生动有趣。它可以更有效地调动学生参与的激情，从而改善大脑中枢和身体器官的活动水平，提高准备过程的有效性。而体育比赛小游戏在体育热身部分的融入可以改善热身单一化的现状，使学生对体育知识和运动更感兴趣。例如，在教学有关长跑的时候，学生想到1000米、800米等概念，他们就很容易害怕，而且他们的腿会发软。此时，可以使用各种模式快慢跑的组合，快速和慢速跑步以及交替变换的形式，促使学生在生动有趣的游戏中无意识地学习新的运动技能。

3.4 图像上刺出轮廓控制点及快速处理检查

打开平面编辑器，选择像控点，在图像列表选中图像，预览时会显示该图像。在对应位置点左键，标定图像中控制点。一个控制点通常标注在3～8张图像上。在质量报告中会显示是否需要在更多图像上标出控制点。整个工程按上、中、下、左、中、右位置均匀选择9点呈宫字格布局即可，亦可在四角附加4个点共13个点，作为初步控制点。设置完成点OK，控制点即加入工程里面。然后进行快速处理检查，也可不做，快速处理出来的结果精度通常较低，但速度很快。在质量报告中主要注意:一是数据集；二是相机参数优化质量。

3.5 控制点刺点加密

点菜单栏视图，打开空三射线编辑器，看到生成的连接点和系统预测控制点位置。在左侧的图像列表框会显示这个控制点所在的所有图像相片，控制点标记会有一个黄色圈，圈中间有一个黄色叉，在相片上用鼠标标出控制点准确位置，标记中间多个绿色叉，说明这控制点已重新参与计算得到新位置。检查其它影像上绿色叉，如与控制点位置能对应上，这控制点不需再标注，否则在更多照片中标出这控制点。当所有图像绿色叉位置都在正确位置上，点使用按钮，对其控制点分别进行上述操作，当所有控制点都标注后[1]，在菜单中选重新优化，把新加入控制点加入重建，重新生成质量报告。

3.6 全自动处理

开始处理前需要进行初始化、点云加密、数字表面模型及正射影像生成设置。除特别说明一般皆为默认。

1)初始化处理设置。图像比例特征处理选1(Original image size)，优化参数选(optimize externals and all internals)，勾选重新匹配影像。

2)点云加密设置。像素对比图像比例选数值越大得到的细节越多，处理的时间越长，最小匹配数选3。

3)数字表面模型及正射影像生成设置。正射影像图的GeoTiff勾选上，合并瓦片勾选上，选择Weighted Average(加权平均)。

3.7 质量分析

自动处理完成后，软件给出一个质量分析报告。主要关注光束法区域网平差细节、内部相机参数、地面控制点。

2)内部相机参数。提供了初始值和优化后的值的相机参数比较，相机内部参数之间的相关性由光束法平差决定。参数有焦距、像主点坐标X、像主点坐标Y、R1、R2、R3、T1、T2。

3)地面控制点。每个控制点定位精度为X、Y、Z 3个方向平均误差。最后一列自动计算控制点自动匹配和手动标记影像数量。最后3行给出了平均误差、标准差、均方根误差。

报告最后能够显示看出有哪些控制点在无人机航拍片的位置，有哪些控制点在无人机航拍片上没有显示位置，要想提高精确度，根据实际情况在无人机航拍片可以全部显示控制点。

3.8 精度对比

以检查点野外量测为基准，读取正射影像的位置和高程信息，其与实际测量的平面位置中误差、高程中误差分别按下面公式计算：

式中：m1：检查点中误差(m)；

△:检查点野外实测值与读取值的误差(m)；

n:参与评定精度的检查点数(每幅图20～50个)[2]。

检查点个数35个，且呈均匀分布。分别计算平面位置X精度为0.047m，Y精度为0.061m，高程精度为0.123m。经试验验证后，平面及高程精度均满足相关规范要求。

3.9 点云以及正射影像编辑输出

通过调整拼接线→投影切换→混合影像→正射影像成果，便可生成最终正射影像成果。

4 无人机航摄及正射影像成果

在2016年5月至2020年4月的4年间，共进行26次专项航摄。获取了184360张照片，早期1次全区航摄要分解64个飞行任务，一天只能完成4～6个任务，用时27d。随着飞行器的更新换代和航摄参数优化，实现了资源区航摄2小时，全区航摄作业时间约5小时即告完成。