基于UASMaster 的河道正射影像图制作

施银迪 SHI Yin-di；闫玉强 YAN Yu-qiang

（①淮安市水利勘测设计研究院有限公司，淮安 223005；②宜兴市自然资源和规划局，无锡 214200）

0 引言

“水是生命之源”，为了保护和改善水资源，智慧水利应运而生，智慧水利的建设成为流域高质量发展的重要路径。无人机的出现，为大范围正射影像的制作提供了新的技术手段，为智慧水利的建设提供了高精度的基础数据。无人机航测是集GPS、无人机技术和摄影测量技术于一体的现代测绘技术[1]，具有快速反应、适用范围广、机动灵活、精细准确、作业成本低、生产周期短等特点[2]。无人机航测能快速高效获取小范围地区的高分辨率影像，在弥补传统测绘不足的同时，也能保障数据采集的时效性。

与传统航空摄影测量不同，无人机航测大多采用非量测型数码相机，其获取的影像存在畸变差较大、像幅较小、重叠度不均匀且倾角过大等问题[3]。常用的摄影测量方法难以达到精度要求，且处理过程较为复杂。利用专业处理数字摄影测量软件UASMaster 对外业采集数据进行处理，具有快速高效，人机交互性强等特点。无人机航拍与数据处理软件相融合的现代化摄影测量技术，能够快速建立大范围的正射影像图，成为智慧水利的有力支撑。

1 UASMaster 软件简介

UASMaster 是Trimble 公司开发的一款无人机数据处理软件，可以处理任意无人飞行系统采集的数据，包括固定翼、无人机和无人艇等。该系统针对无人机影像数据进行算法改进[4]，包含一键式操作获取结果模式和逐个过程进行人机交互质量控制模式。

UASMaster 在数据处理过程中可以进行质量分析和质量控制，可自动实现空中三角测量、点云与正射影像生成的全自动化处理，精度稳定可靠。利用软件中提供的各种点云编辑工具对结果进行最优化处理，在DEM、DOM等制作方面有较强的优势[5]，适用于大比例尺的正射影像制作。

2 测区概况与飞行参数

本次测区以淮安市某河道其中一段为例，测区长约7km，宽约1.5km，整体面积约为10.5km2。测量范围地势较为平坦，无较大起伏，树木遮挡较少，且无高大建筑物。无人机为远度科技3VS 复合翼无人机，相机焦距36mm，航向重叠度70%，旁向重叠度45%，飞机高度545m。由于无人机飞行受大雾大风等天气影响，为减少内业处理时间和提高成图精度，选择天气晴朗、风力较小时间短完成。

3 正射影像图制作过程

正射影像图制作主要包括前期数据采集和后期数据处理两个过程，其中前期数据采集包括参数设置、航带规划和数据导出，后期数据处理过程主要包括pos 数据格式转换和UASMaster 数据处理等步骤，最终生成正射影像图。其中UASMaster 数据处理主要分为三个部分，分别为工程管理、空中三角测量和点云编辑与输出。具体流程如图1 所示。

图1 正射影像图制作流程图

在进行正射影像制作前，先对无人机采集的照片数据进行整理检查，pos 数据进行坐标系转换，对利用RTK 采集的控制点数据整理。通过前期数据整合，为利用UASMaster 制作河道的正射影像图打下良好的数据基础。

利用UASMaster 制作正射影像，首先是对工程项目进行管理。将相机文件、整合后的影像数据、pos 数据和控制点文件导入到新建的工程文件中，并自动生成航带信息。空中三角测量处理步骤包括连接点提取、控制点量测和平差等步骤。在点云编辑与输出模块中，通过手动的方法，对正射影像进行纠正。UASMaster 软件数据处理具体流程如图2 所示。

图2 UASMaster 数据处理流程图

3.1 空中三角测量

作为正射影像制作的关键步骤，空中三角测量将直接影响制图成果的精度。空中三角测量包括连接点提取、控制点量测、相机检校与平差和精度检查。

连接点提取是一个基于特征点的最小二乘匹配过程[6]。UASMaster 中提供了三种方法，即全分辨率、半分辨率与低分辨率。其中全分辨率将提取高达0 级的连接点，但处理时间长；半分辨率提取将在1∶2 级完成，适合大多数项目的默认设置；而低分辨率提取在1∶4 级完成，处理快速，但精度较低[7]。本次实验将采用默认的方法即半分辨率级别提取连接点，在保证精度的同时也减少实验处理时间。

控制点量测在UASMaster 中有两种工作流程，即在连接点提取前或后。在地势地形较为复杂地区如森林地区、山地等需要稳定连接点匹配时，应预先进行控制点量测。在其他情况下，控制点量测可以在连接点提取完成之后，不利的控制点将不会影响连接点提取。并且在连接点提取之后，地面控制点投影更接近照片中待测量的位置，控制点的量测精度更高。软件提供三种刺点方法，即手动、半自动和全自动。对于半自动和全自动，应停用金字塔跟踪，但当点位置不在地面（例如建筑物得角落、极点）且投影到其他图像上时，可能会失败。

本次实验区域存在较多房屋，且部分控制点在房屋檐角并投影到其他图像上。实验结果表明，采用手动模式进行刺点，可以得到较好的效果。手动量测如图3 所示。

图3 手动控制点量测示意图

相机检校与平差提供三种方法，其中First Approxmate 方法可以得到相机的初始畸变模型，没有内置相机参数的相机必须先进行该步骤；Extensive 方法针对校正后的相机进行；而Refine 则是在Extensive 后，对添加的控制点进行相机检校[6]。平差完成后，可查看空中三角测量成果精度。如果不满足相应的精度要求，可重新对地面控制点进行手动量测，重新进行空中三角量测，直至成果满足相应的精度要求。

3.2 点云编辑与输出

在空中三角测量结束后，根据地表特征和标准设置好参数，由加密成果自动生成数字地面模型（DTM）[8]。若生成的地面模型结果不理想，出现扭曲变形、地物错乱等现象，则需要先对DTM 进行编辑，以满足后续正射影像的精度要求。对于地面模型的编辑，通过将加载的点云保存到数据库中完成点云数据的编辑。对于待编辑区域，可以在选定区域范围内对点云数据进行手动按压处理或者对局部区域的点云数据进行重新生成，可以较好地纠正模型变形问题。对于侧边遮挡较为严重区域，可以删除部分侧边纹理所在照片，并重新生成点云数据，能够较好地解决遮挡问题。图4 为变形地物校正前后生成的正射影像对比图。

图4 变形点云编辑前后生成正射影像对比图

对于编辑后的点云数据可以直接生成DOM，软件可对正射影像进行匀光匀色处理。若影像匀光匀色、图幅接边效果不理想，可利用Photoshop 软件进行细节处理，保证正射影像的视觉效果。由图5 可以看出生成的正射影像图整体精度较高，河道位置清晰，河道周围地物清晰。利用周期性数据能较为直观地发现河道周围地物的变化情况，实现河道监测，也可为智慧水利建设系统提供高精度的底图数据。

图5 大运河河道局部正射影像图

4 UASMaster 制作正射影像图的优势与不足

UASMaster 操作界面非常直观，具有完全自动化的图像处理过程。其优势主要表现为以下几方面：①专业要求不高，不具备专业知识的用户也能按照用户手册获取高精度成果。②可以处理任意无人飞行系统获取的数据，涉及面广、普适性强。③数据处理快、工作效率高，节约时间。④处理得到的数据成果简洁直观、精度高。

但边界处图像质量较差，局部缺损较多。后期需要对正射影像图进行裁剪等处理。也可以在前期数据采集时，扩大实验区域范围，减少边界处对区域范围内的影响，避免后期裁剪步骤。

5 结论

本文通过对某一河道进行无人机摄影测量，利用UASMaster 软件对影像数据进行处理，生成了正射影像图。通过对正射影像图精度检查发现其精度满足日常工程的管理需求，进一步验证了利用UASMaster 软件生成的正射影像图作为智慧水利建设基础数据的可靠性。随着摄影测量技术与无人机技术应用的逐渐广泛，将探索解决目前存在的问题或弱化缺陷的方法。研究制作更高精度的正射影像图，为智慧水利的发展提供强有力的数据支持如分层过多，可灵活掌握。无人机与软件的结合将为我国智慧水利建设注入新鲜活力，为水利工程的建设和管理提供更便捷、更智能的手段，有利于实现水资源的高效利用和水利工程的智能化管理。