DPGrid_LAT在尾矿库无人机遥感影像处理中的应用

洪运富，杨一鹏，杨海军

（环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094）

一、引 言

“十一五”以来，我国环境质量状况局部有所改善，总体尚未遏制，重大环境事件频发，环境形势非常严峻。环境监测是环境管理的“哨兵”和“耳目”，严峻的环境形势迫切需要构建“天-空-地”一体化的先进环境监测预警体系，大力发展卫星遥感、无人机遥感等高科技手段，不断增强我国环境遥感监测应用能力，高效支撑服务国家环境管理。

无人机遥感是卫星遥感和航空遥感的有益补充，又具有其他遥感手段无法比拟的独特优势，具有结构简单、使用成本低、反应快速、易于转场的特点，利用它可以灵活快速地获取高分辨率、大比例尺和高现势性的遥感影像。它不仅可以完成传统航摄飞机的任务，而且可以进入传统手段无法覆盖的领域，广泛用于抗震救灾、高危区域调查和环境遥感监测等。

二、尾矿库危害和张家口尾矿库简介

尾矿库是当前最重要的环境风险源之一。尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿、湿法冶炼过程中产生的废物或其他工业废渣的场所，一般由尾矿堆存系统、尾矿库排洪系统、尾矿库回水系统等几部分组成。这些尾矿不仅数量大，而且有些矿中含有暂时未能回收的有用成分，若随意排放不仅会造成资源流失，更重要的是大面积覆没农田、淤塞河道，造成严重的环境污染和各种灾害，因此必须将尾矿加以妥善处理。

张家口市地处京晋冀蒙交界处，距北京约180 km，位于北京水源地上游，北京市重要饮用水源地——官厅水库入库补水量的85%和密云水库的47%来自该市，地理位置十分敏感。据2010年5月的统计，其辖区内共有尾矿库520多座，约占全国4%，其中涉重尾矿库30座，具有数量多、类型全、范围广、密度大等特点，多数尾矿库下游分布有居民地、河流、农田、自然保护区等不同类型环境敏感对象，环境风险突出。为推动尾矿库环境应急管理工作，探索尾矿库环境应急管理长效机制，2010年，环境保护部在张家口市开展尾矿库环境应急管理试点工作，综合利用无人机遥感技术、卫星遥感技术和地面调查相结合的手段，开展了张家口市重点尾矿库环境遥感监测。

三、DPGrid_LAT系统简介

数字摄影测量网格（DPGrid_LAT）是由中国工程院院士张祖勋提出并指导研制出的新一代数字摄影测量系统。它打破了传统的摄影测量流程，应用先进高性能并行计算、海量存储与网络通信等技术，采用改进的影像匹配算法，实现了自动空三、自动DEM与正射影像生成，自动化程度和系统效率大大提高，实现了航空航天遥感数据的自动化快速处理和空间信息的快速获取。DPGrid拥有低空、航空、航天遥感数据处理系统，以及DPGrid_LAT无缝测图系统，能够满足三维地理空间信息快速采集与更新的需要，可为国民经济与社会发展各方面提供具有现势性的三维地理空间信息。

DPGrid_LAT可以实现并行处理功能，大大提高作业效率，包括影像预处理、自动匹配、DEM制作、DOM制作。软件流程如图1所示。

图1 DPGrid_LAT软件流程图

1.创建工程和匹配参数设置

在DPGrid_LAT中新建工程，并将新建的工程路径指定到之前建好的测区文件夹下。根据相机的校验文件设置相机各项参数，摄影类型设为“低空摄影”，匹配参数设置主要设置水平重叠度、垂直重叠度及相应的搜索范围。

2.数据处理

在软件中导入航空影像，DPGrid_LAT接受各种数字影像，包括 TIFF、TiledTIFF、JPEGTIFF、Geo-TIFF、以11 bit位存储的 TIFF影像、JPG、BMP格式等。将无人机航空影像导入软件后，进行航带设置和航线对齐，可以实现并行处理功能，大大提高作业效率，包括影像预处理、自动匹配、DEM制作、DOM制作。

3.自动空中三角测量

空中三角测量是利用一个区域中多幅影像连接点的影像坐标，加上很少的已知影像坐标和物方空间坐标的地面控制点，利用模式识别技术和多像影像匹配等方法，通过区域网平差计算，代替人工在影像上自动选点与转点，求解连接点的物方空间坐标与影像的外方位元素；同时自动获取像点坐标，提供给区域网平差程序解算，以确定加密点在选定坐标系中的空间位置和影像的定向参数。空中三角测量是后续的一系列无人机数据处理与应用的基础，如创建DEM、DTM、DOM和立体测图等。

1）自动匹配。自动匹配是空三中很重要的一步操作，很多情况下可以直接决定后面的空三人工交互的工作量。这一步程序基于人工添加的少量偏移量，自动寻找航带内和航带间同名点。在自动匹配下也可以实现并行匹配，提高了作业效率。

2）自动挑点。自动挑点是对程序匹配后的同名点建立相互连接关系，进行标准点位保留点个数的筛选，并嵌入平差功能，初步剔除测区内粗差大的连接点，减少空三挑粗差点的工作量。

3）交互式编辑。挑点结束之后进入交互式编辑界面，对匹配后的结果进行空三加密内业处理，利用光速法平差方法进行平差解算。空三加密人工交互的流程是一个不断平差和挑点的循环过程，此循环操作一直进行到像点中误差和最大像点残差及控制点最大误差都达到国家规定标准为止。空三加密工作完成之后，输出空三结果文件，为后续产品制作所用。

4）平差功能介绍。平差分为POS平差、分航带平差、自由网平差和区域网平差。POS平差是针对外业控制点较少或无控制点的状况下，利用高精度的POS数据辅助空三平差，提高空三精度；分航带平差是针对测区整个网连接不好的情况，先选择单条或多条航带平差，逐步调整；自由网平差是通过得到的特征匹配点构建测区加密网，经空三平差后，当整个加密网达到收敛状态，即可利用空三加密结果生成正射拼图；区域网平差是利用外业控制点将测区内所有像点归算至大地坐标系，确定整个加密网的绝对位置。

4.产品生产

产品生产可以利用控制网的空三成果快速制作DEM和DOM，包括正射拼图和正射影像。DOM正射影像的制作可以基于DEM或DLG数据进行影像拼接，并对测区整体影像进行匀光匀色、色调均衡处理，以达到较好的图面效果。

在应急快速响应时也可以基于粗略的DEM结果快速生产正射影像图，或在无控制测区利用空三结果进行正射拼图生产，以达到快速生成影像图的目的。

5.正射影像编辑

在模块编辑中可利用编辑好的DEM进行影像的自动采样更新，实现无缝接边。制作正射影像时，为方便DOM数据的高效存取与处理，可首先将影像划分为格网，根据影像的投影中心划分镶嵌分界线；然后对投影差进行分析，根据投影差与数字表面模型（DSM）修改不合适的镶嵌分界线；最后在镶嵌分界线的邻域进行灰度与色彩的平滑过渡，具有系统灵活、方便的特点。

DPGrid_LAT与Photoshop图像处理软件留有接口，双击图片时可以直接在Photoshop中对框选部门的影像进行编辑，并将编辑结果反馈到DPGrid_LAT中。

6.产品输出

根据产品需求，可输出框选区域DEM、DLG和DOM成果，标准图幅成果，金字塔DOM成果。图2为利用无人机数据完成的张家口崇礼县紫金矿业尾矿库周边敏感对象分布图。

图2 张家口崇礼县紫金矿业尾矿库周边敏感对象分布图

四、结果分析

本次使用的尾矿库无人机影像数据，由于飞行时天气原因导致影像质量较差，但后期图像处理时采用DPGrid系统进行影像密集匹配，几乎不需要人工干预，自动匹配的成功率较高，顺利完成了300多张无人机遥感影像的快速拼接。制作的数字正射影像图能够清晰地反映尾矿库周围的居民点、饮用水源地等环境敏感对象，满足环境监管需要，为环境应急管理提供了重要的支持。

实践表明，DPGrid的分布式海量数据管理和正射影像处理能够为正射影像加工生产提供一体化解决方案，能够快速、高效地处理非常规海量无人机航空遥感数据，从而达到简化生产流程、提高作业效率的目的。

五、结束语

本文通过对使用DPGrid处理无人机数据方法的介绍，表明了该方法的优势在于采用一体化解决方案、先进的数字影像匹配、高性能并行计算。在保证一定的精度下，以较少的人工干预，能够以最快的速度完成整个测区的处理过程，提高数据生产的效率。且对机器硬件要求不高，在对速度要求不高时一般的工作站即可满足处理要求，满足无人机数据在测绘方面、环境事故应急和风险防控的需要，为无人机数据处理市场提供了新的解决方案。

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