无人机遥感影像快速拼接方法研究 城市勘测_图文

2013 年 10 月 第5 期 文章编号:1672- 8262(2013)05- 73- 03

城 市 勘 测 Urban Geotechnical Investigation & Surveying 中图分类号:P237

Oct. 2013 No. 5 文献标识码:B

无人机遥感影像快速拼接方法研究
张俊前


( 重庆市勘测院,重庆 400020) 摘 要:无人机低空遥感技术作为一种新兴的低空遥感技术,具有灵活性强、操作方便、现势性好、分辨率高、投入低等 众多优点,已成为遥感数据获取不可或缺的手段之一。 本文针对无人机影像量大、无规律、像幅小、拼接困难的特点, 通过试验研究对比了几种无人机低空遥感影像拼接方法,并分析其拼接影像的精度及应用范围。 关键词:无人机;遥感影像;影像拼接;正射影像;控制点

1 引 言
随着社会经济的发展和国防建设的需要, 社会各 行业对高分辨率遥感影像与基础地理信息的需求越来 越迫切,对其现势性要求越来越高。 仅靠卫星和载人 航空飞机获取的遥感数据难以完全满足影像数据获取 和处理的需要。 相对于传统航空航天遥感技术, 无人 机低空遥感技术作为一种新兴的低空遥感技术, 具有 灵活性强、操作方便、现势性好、分辨率高、投入低等众 多优点,已成为遥感数据获取不可或缺的手段之一。 无人机获取的遥感影像具有相幅小, 数量多的特 点
[2]

置,进而确定两幅影像之间的变换关系。 影像配准算 法是影像拼接技术的关键。 (3) 建立变换模型。 根据模板或者影像特征之间 的对应关系,计算出数学模型中的各参数值,从而建立 两幅影像的数学变换模型。 (4) 统一坐标变换。 根据建立的数学转换模型, 将待拼接影像转换到参考影像的坐标系中, 完成统一 坐标变换。 (5) 融合重构。 将带拼接影像的重合区域进行融 合得到拼接重构的平滑无缝全景影像。 根据不同的拼接目的、 拼接精度和拼接速度的要 求,可将无人机低空遥感影像拼接分为有缝快速拼接、 全景影像拼接、无控正射影像拼接和有控正射影像拼 接 4 种类型,下文对不同类型的拼接方法进行了分析。

。 要想获得整个区域的全局信息, 必须对无人机

遥感影像进行拼接合成。 如何将大量、无规律、小像幅 的无人机影像进行有效拼接以达到使用目的, 是无人 机影像处理人员面临的难题。 目前, 也有不少学者对 无人机影像处理技术展开研究, 并取得了一定成绩。 本文研究对比了几种无人机低空遥感影像拼接的方 法,并分析拼接影像的精度及应用范围。

3 无人机低空遥感影像拼接方法
3畅 1 有缝快速拼接 本文中采用的无人机低空遥感影像有缝快速拼接为 Microstation 软件二次开发实现,其主体思想是:将无人机 系,并对影像主点进行展点;以影像主点为定位中心点将 影像快速排列以实现快速拼接。 拼接效果如图 1 所示。

2 影像拼接技术综述
影像拼接技术就是将数张有重叠部分的影像 ( 可 能是不同时间、不同视角或者不同传感器获得的) 拼成 一幅大型的无缝高分辨率影像的技术
[4]

航摄时获取的概略 POS 数据进行坐标转换到测量坐标

。 影像拼接的

方法很多,不同的算法步骤会有一定差异,但大致的过 程是相同的。 一般来说,影像拼接主要包括以下五步: (1)影像预处理。 包括数字影像处理的基本操作( 如 去噪、直方图处理等)、建立影像的匹配模板等操作。 (2) 影像匹配。 就是采用一定的匹配策略, 找出 待拼接影像中的模板或特征点在参考影像中对应的位
倡  收稿日期 :2013—02—06 作者简介 :张俊前 (1981—) , 男 ,工程师 , 主要从事摄影测量生产与质量管理工作 。 基金项目 :国家科技支撑计划 (2011 BAH12 B07- 03) 图 1  有缝快速拼接图

74

城 市 勘 测

2013 年 10 月

有缝快速拼接缺点是影像存在明显接缝 ,但速度极 快,完成 200 张影像(7 168× 5 440像素) 的快速拼接只需 要 10 min左右;而且这种拼接影像基于 POS 数据定位, 带有坐标信息,可用于无人机航摄影像快速检查、测区 简单变化分析、无人机遥感影像外业控制测量底图 。 3畅 2 全景影像拼接 无人机低空遥感影像全景影像拼接是将无人机获 取的多张影像组成一个大幅面的全景影像图的方法。 无人机在飞行时由于受到气流等方面的影响, 传 感器和目标的相对位置不断发生变化, 相邻影像的拍 摄角度、拍摄尺度并不一致。 拼接全景影像通常采用 经典的 SIFT ( Scale Invariant Feature Transform ) 算法进 行影像匹配。 通过提取图像的尺度不变特征点, 解决 了待拼接图像间大的平移、 旋转、尺度变化的干扰, 实 现差异较大的两幅图像之间的特征的匹配, 进而通过 匹配的多个同名点进行无人机遥感影像的拼接, 从而 创造出高质量的全景影像。 全景影像制作的思路是先分航线拼接, 再进行航 线间影像拼接。 分航线拼接是通过 SIFT 匹配对航线 的影像进行自动拼接。 相邻航带间拼接是在分航线拼 接的影像上人工调整匹配控制点拼接, 从而将多航线 的影像拼接成完整的影像图, 最后对部分区域进行匀 光匀色修补获得全摄区影像。 拼接成果如图 2 所示。

IMU 组成的 POS 系统, 能获取航摄时无人机的 WGS - 84 坐标和飞行姿态数据。 可以将无人机航摄时获取 角测量的平差,自动生成数字高程模型,再由数字高程 模型生成正射影像。 流程如图 3 所示。 的 POS 数据作为影像的初始外方位元素,参与空中三

图 3  无控制点正射影像制作流程

成的正射影像经拼接后,需要进行精确配准,才能获取 影像制作约需要 7 h,制作出的成果如图 4 所示。

无人机航摄时获取的 POS 数据精度不高,因此生

精度较高的坐标。 在 Map AT 中完成 200 张影像正射

图 4  无控制点正射影像拼接

这种影像拼接方法得到的拼接结果精度高, 拼接 后的影像基本无拼接裂缝和畸变, 影像还带有空间坐
图 2  PTGui Pro 影像拼接成果

标信息。 但是由于无人机导航数据的 POS 数据精度 不高,因此影像的高程信息精度不高,拼接后的影像经 过影像配准和坐标纠正,可获取精度较高的平面坐标。 此种拼接方法制作的成果平面精度高,生产周期短,可 用于城市和农村的变化检测,也可用于不易进入地区 的正射影像生产。 3畅 4 有野外控制高精度正射影像拼接 随着计算机软硬件技术的发展, 集群式无人机影 像处理软件( 如国内的 PixGrid 软件和国外的像素工厂 等软件) 的出现,为利用无人机影像快速制作高分辨率 正射影像提供了思路。 经试验研究, 采用像素工厂软

采用此种方法拼接影像的最大优势是航带内可实 现快速无缝拼接,并且地物变形小,相对位置关系也较 准确,整体拼接速度较快。 试验采用 PTGui Pro 进行, 拼接 200 张影像完成时间在 3 h 左右。 在高差不大的 区域,拼接图可经过影像纠正配准,获取地理坐标。 此 种影像拼接方法的成果可以应用于突发事件和灾害监 测,能快速有效为救援指挥方案提供决策依据。 3畅 3 无野外控制正射影像拼接 无人机低空遥感系统在航摄时, 自带有 GPS 和

第5 期

张俊前 畅 无人机遥感影像快速拼接方法研究

75

件作为无人机影像处理的主要软件可以大大减少外业 控制点数量, 其集群式处理器可快速实现影像匹配、 DEM 自动生成、正射影像自动镶嵌。 以平板电脑为硬 件平台的数字化像控点测量系统可以省去像片冲洗工 示为正射影像制作流程图。 序,且可以实现野外快速选刺、 测量像控点,如图 5 所

此种方法制作的成果精度最高, 但是生产周期相 对稍长, 可用于三维快速建模、高时效性的资源监测、 大型工程施工动态监测等方面, 为城市建设和规划提 供直观有效的测绘保障。

4 结 语
无人机低空遥感影像拼接技术是一个复杂的, 多 学科交叉的处理技术。 不同的无人机影像拼接方法采 用不同的算法,具有不同的处理流程。 本文针对不同 的需求和用途,采用不同的平台进行了实验 ,并给同行 一个参考数据。 随着无人机 POS 系统、影像配准算法 将进一步发展。
参考文献 [1] 王聪华.无人飞行器低空遥感影像数据处理方法 [ D]. 济南:山东科技大学,2006,5 ~ 19. [2] 柯涛,张永军.SIFT 特征算子在低空遥感影像全自动匹 [3] 仵建宁.图像拼接技术研究[ D].西安:西安电子科技大 学,2006,7 ~ 10. [4]   王琳.高精度、 高可靠的无人机影像全自动相对定向及 模型连接 的 研 究 [ D ].北 京: 中 国 测 绘 科 学 研 究 院, 2011. [5] 程远航,薛定宇,韩晓微.基于小波变换的遥感图像快速 拼接方法 [ J ].东 北 大学 学 报 ? 自 然 科 学 版,2008,29 (10):1385 ~ 1388. [6] 张永军. 无人驾驶飞艇低空遥感影像的几何处理[ J]. 武 配中的应用[ J].测绘科学,2009,34(4):23 ~ 26.

图 5  正射影像制作流程

等关键技术的进步, 无人机低空遥感影像拼接技术也

航线 554 张无人机影像,外业布设 21 个控制点,如图 5

经统计分析,一面积约 20 km 的测区,共有 13 条


所示的生产流程,经过 3 个工作日完成了高精度、高分 辨率的正射影像制作,成果图如图 6 所示。 经外业设 站检查和 1 ∶ 500 地形图套合检查, 共检查 51 个点, 平 面最大误差为 0畅 9 m,中误差 0畅 46 m。

图 6  正射影像与 1 ∶ 500 地形图套合图

汉大学学报? 信息科学版,2009,34(3):284 ~ 288.

The Research of UVA Remote Sensing Image Fast Splicing Method
( Chongqing Survey Institute ,Chongqing 400020,China ) Zhang Junqian

flexible ,easy to operate ,real - time ,high - resolution ,low many investment advantages ,has become one of the indispensa - ble means of remote sensing data acquisition .For UAV image large, irregular , small range and difficult stitching , this study compared several UAV low altitude remote sensing image stitching methods and analysis of the accuracy and range of application . Key words:UVA;remote sensing image ;image mosaic ;orthophoto ;control point

Abstract:UAV low altitude remote sensing technology as a new kind of low - altitude remote sensing technology , a

无人机遥感影像快速拼接方法研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 张俊前, Zhang Junqian 重庆市勘测院,重庆,400020 城市勘测 Urban Geotechnical Investigation & Surveying 2013(5)

参考文献(6条) 1.王聪华 无人飞行器低空遥感影像数据处理方法 2006 2.柯涛;张永军 SIFT特征算子在低空遥感影像全自动匹配中的应用[期刊论文]-测绘科学 2009(04) 3.仵建宁 图像拼接技术研究[学位论文] 2006 4.王琳 高精度、高可靠的无人机影像全自动相对定向及模型连接的研究 2011 5.程远航;薛定宇;韩晓微 基于小波变换的遥感图像快速拼接方法[期刊论文]-东北大学学报@ 自然科学版 2008(10) 6.张永军 无人驾驶飞艇低空遥感影像的几何处理[期刊论文]-武汉大学学报@ 信息科学版 2009(03)

引用本文格式:张俊前.Zhang Junqian 无人机遥感影像快速拼接方法研究[期刊论文]-城市勘测 2013(5)


相关文档

无人机序列影像快速无缝拼接方法研究
基于SIFT特征点的无人机影像拼接方法研究
无人机遥感影像拼接方法探讨_刘庆元
无人机遥感图像自动拼接方法的研究
基于GPU的无人机遥感影像快速拼接
4种无人机遥感影像快速拼接方法的试验分析
无人机海量遥感影像快速自动拼接算法研究
无人机遥感影像快速拼接方法研究_张俊前
无人机低空遥感影像的自动拼接技术研究
无人机遥感影像快速处理技术
电脑版