無人機(jī)航攝像控點(diǎn)布設(shè)方法探討

買小爭，楊 波，馮曉敏

(國家測繪局第四航測遙感院，海南海口570203)

一、引 言

無人機(jī)航測作為一種新型的低空遙感影像獲取技術(shù)，是衛(wèi)星遙感和航空攝影的有力補(bǔ)充。無人機(jī)具有機(jī)動靈活、經(jīng)濟(jì)高效、精細(xì)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠快速獲取小范圍區(qū)域和航攝困難地區(qū)的高分辨率影像，并生產(chǎn)出該區(qū)域的數(shù)字正射影像圖，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。

像控點(diǎn)布設(shè)是無人機(jī)正射影像制作的重要環(huán)節(jié)，也是外業(yè)過程中成本投入比較大的一個部分。利用無人機(jī)航測技術(shù)裝備，獲取試驗(yàn)區(qū)域1∶1000和1∶2000航片數(shù)據(jù)，以1∶2000航片數(shù)據(jù)作為詳細(xì)研究對象，采用不同像控點(diǎn)布設(shè)方法制作出不同精度的正射影像成果。然后在1∶2000試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，選取合適的布設(shè)方法對1∶1000數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。最終總結(jié)出制作1∶1000和1∶2000數(shù)字正射影像圖(DOM)較合理的像控點(diǎn)布設(shè)方法，從而提高利用無人機(jī)制作正射影像的整體工作效率。

二、試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1．試驗(yàn)區(qū)域及航攝資料

經(jīng)過對航攝資料的詳細(xì)分析，選定海口市新坡測區(qū)0．15m無人機(jī)航攝影像數(shù)據(jù)作為1∶2000 DOM制作試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)域包括3條航線，75張高分辨率影像，面積5 km2。選定海口市西海岸測區(qū)0．1m無人機(jī)航攝影像數(shù)據(jù)作為1∶1000 DOM制作試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)域包括9條航線，513張高分辨率影像，面積8 km2。

2．像控資料及布設(shè)情況

外業(yè)控制成果包括：像控刺點(diǎn)片、實(shí)地照片、像控成果信息表。外業(yè)像控采取區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案。此次區(qū)域網(wǎng)具體布點(diǎn)方案是：在區(qū)域網(wǎng)范圍內(nèi)逐航帶、逐航片布設(shè)像控點(diǎn)。后期通過不斷增加基線數(shù)，即不斷減少控制點(diǎn)的數(shù)量得出不同布設(shè)方法對DOM成果精度的影響。同時，在試驗(yàn)區(qū)域還均勻布設(shè)一定數(shù)量的外業(yè)檢查點(diǎn)用于DOM成果的精度檢測。

三、試驗(yàn)區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)方法

外業(yè)按逐航帶、逐航片布設(shè)了密集的像控點(diǎn)，由于無人機(jī)載荷相機(jī)的像幅小，航攝相片多，重疊度大，試驗(yàn)采用在區(qū)域網(wǎng)首端和末端垂直于航線方向且隔一條航線上分別布設(shè)一排平高點(diǎn)，每條航線按照相鄰平高控制點(diǎn)間隔基線數(shù)分別為2條、4條、6條、8條、10條、12條布設(shè)。即試驗(yàn)采用隔航帶、隔基線6種像控點(diǎn)的布設(shè)方法。

四、后期數(shù)據(jù)處理

1．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

(1)影像畸變差改正

此次試驗(yàn)采用INPHO作為后處理軟件。由于獲取的影像數(shù)據(jù)邊緣存在畸變，所以首先根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)對影像進(jìn)行畸變差改正，這是目前所有軟件在進(jìn)行后處理之前必須要做的。

(2)工程建立及影像列表整理

利用畸變糾正過的影像在INPHO中建立金字塔影像，然后根據(jù)相機(jī)參數(shù)文件建立工程，軟件會根據(jù)原始POS數(shù)據(jù)建立航帶影像縮略圖，對影像進(jìn)行航帶排列，人工判斷航帶建立是否正確，不正確需要重新設(shè)置相機(jī)或影像的排列順序，直至航帶排列正確。

2．空中三角測量

(1)區(qū)域網(wǎng)平差及加密點(diǎn)選取

目前軟件的自動化程度較高，軟件根據(jù)建立好的航帶圖，像點(diǎn)殘差的限值以及控制點(diǎn)的權(quán)值，完成區(qū)域網(wǎng)平差，人工干預(yù)相對較少。軟件根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的限差會將超限的匹配點(diǎn)刪除。對于水域里面的點(diǎn)需要人工檢查或刪除，并且注意航帶間有無連接點(diǎn)，這對后期正射影像航帶間是否錯位有很大影響。

(2)像控點(diǎn)刺點(diǎn)及控制點(diǎn)平差

外業(yè)提供的所有像控點(diǎn)均參加加密量測，并參與加密平差或檢核。在立體環(huán)境下進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)，確保每個像控點(diǎn)正確、無誤。

3．正射影像制作

(1)數(shù)字高程模型提取及編輯

利用滿足精度要求的空三成果，進(jìn)入軟件數(shù)字高程模型(DEM)提取模塊。設(shè)置DEM提取格網(wǎng)間距，完成DEM生成工作。只有準(zhǔn)確的DEM才能保證正射影像圖的糾正精度，由于影像自動匹配的局限性，DEM編輯需要少量的人工干預(yù)，以提高數(shù)字高程模型的精度。在編輯時多注意特征點(diǎn)、線、面的編輯，注意城區(qū)居民地以及立交橋和橋梁的編輯。

(2)正射影像糾正及影像的鑲嵌拼接和

勻光勻色

利用生成的DEM在正射影像糾正模塊中生成單張正射影像，在影像拼接模塊，加載單張正射影像進(jìn)行正射影像拼接，軟件根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)完成正射影像勻光勻色和拼接，對影像錯位的地方可以通過調(diào)整鑲嵌線進(jìn)行修復(fù)。

(3)DOM成果檢查

首先，對于不同布設(shè)方案生成的DOM成果均進(jìn)行檢查，沒有變形、扭曲的情況，尤其是房屋、道路、橋梁。經(jīng)過勻光勻色，整個區(qū)域影像色彩過度自然、影像清晰、反差適中、層次分明、紋理信息豐富，避免圖像處理所留下的痕跡。其次，利用外業(yè)檢查點(diǎn)對不同布設(shè)方法生產(chǎn)的DOM成果進(jìn)行精度檢查。隔航帶、隔8條基線布設(shè)像控點(diǎn)制作的DOM成果如圖1所示。

圖1 隔航帶、隔8條基線布設(shè)控制點(diǎn)制作DOM成果

五、試驗(yàn)結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)

1．1∶2000試驗(yàn)結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)

1)加密點(diǎn)中誤差結(jié)果見表1。

表1 加密點(diǎn)中誤差結(jié)果 m

結(jié)果顯示，隔航帶、隔2～12條(等差為2)基線布設(shè)控制點(diǎn)均滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7391—2008)(以下簡稱規(guī)范)中的內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)中誤差精度要求。

2)絕對定向后，基本定向點(diǎn)和多余控制點(diǎn)平均誤差見表2。

表2 基本定向點(diǎn)和多余控制點(diǎn)平均誤差 m

結(jié)果顯示：隔航帶、隔2～12條(等差為2)布設(shè)控制點(diǎn)，絕對定向后基本定向點(diǎn)和多余控制點(diǎn)的平面位置限差均滿足規(guī)范精度要求;從具體定向點(diǎn)和多余控制點(diǎn)單點(diǎn)誤差來看，隔航帶、隔2、4條基線布設(shè)控制點(diǎn)，絕對定向后基本定向點(diǎn)和多余控制點(diǎn)的高程限差均滿足規(guī)范精度要求;隔航帶、隔6～12條(等差為2)基線布設(shè)控制點(diǎn)，雖然總體高程平差精度滿足要求，但是檢查點(diǎn)精度整體降低，還出現(xiàn)個別檢查點(diǎn)的高程誤差超限情況。因?yàn)榭刂泣c(diǎn)數(shù)量的減少，導(dǎo)致了高程精度降低，其結(jié)果不滿足規(guī)范中絕對定向后高程限差要求。

3)正射影像精度檢測：利用不同像控點(diǎn)布設(shè)方法得到的空三結(jié)果，生產(chǎn)出對應(yīng)的數(shù)字正射影像成果。利用野外均勻分布的檢查點(diǎn)對正射影像平面精度進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果見表3。

表3 正射影像精度檢測表 m

經(jīng)過對正射影像的平面精度進(jìn)行檢測，隔航帶、隔2～8條(等差為2)基線布設(shè)控制點(diǎn)所制作的正射影像無論從檢查點(diǎn)的單點(diǎn)誤差還是平均誤差均能滿足規(guī)范精度要求。隔航帶、隔10～12條(等差為2)基線布設(shè)控制點(diǎn)所制作的正射影像存在較多檢查點(diǎn)誤差超限的情況，說明這兩種像控點(diǎn)布設(shè)方法會導(dǎo)致正射影像局部平面誤差超限。

2．1∶1000試驗(yàn)結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)

從以上試驗(yàn)來看，生產(chǎn)1∶2000正射影像成果隔航帶、隔8條基線布設(shè)控制點(diǎn)最為合理。在此試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，采用隔航帶、隔6條基線布設(shè)控制點(diǎn)生產(chǎn)1∶1000正射影像，并對其成果精度進(jìn)行檢測。

1) 加密點(diǎn)中誤差mX= ±0．028m，mY= ±0．026m，mZ= ±0．060 m，其中最大殘差 Xmax=0．180 m，Ymax=0．250 m，Zmax=0．359 m，其結(jié)果滿足規(guī)范中內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)的精度要求。

2)絕對定向后，基本定向點(diǎn)殘差ΔX=0．157 m，ΔY=0．133m，ΔZ=0．108m，多余控制點(diǎn)殘差ΔX=0．270 m，ΔY=0．250 m，ΔZ=0．190 m，其結(jié)果滿足規(guī)范中絕對定向后平面位置和高程限差要求。

3)利用外業(yè)檢查點(diǎn)對該像控點(diǎn)布設(shè)方法生產(chǎn)的正射影像進(jìn)行平面精度檢測，影像坐標(biāo)量測平均誤差為0．472 6 m，滿足規(guī)范的精度要求。平面平均誤差已經(jīng)接近規(guī)范的限差要求，其中也出現(xiàn)許多檢查點(diǎn)誤差接近限差的情況，如果再增大基線數(shù)會導(dǎo)致影像整體平面誤差超限。采用此方法布設(shè)控制點(diǎn)滿足1∶1000正射影像制作的精度要求，同時也是最為合理的布設(shè)方法。

六、試驗(yàn)結(jié)果比較分析

制作1∶2000正射影像圖，通過對像控點(diǎn)不同布設(shè)方法的精度統(tǒng)計(jì)，可以看出：

1)前3種方案即隔航帶、隔2、4、6條基線布設(shè)像控點(diǎn)，其平面平均中誤差分別為 ±0．314 5 m、±0．298 0 m、±0．307 7 m，完全滿足規(guī)范≤1．2 m的精度要求，并且每個檢查點(diǎn)的單點(diǎn)中誤差也都符合規(guī)范要求。可以看出由于控制點(diǎn)比較密集，得出的正射影像精度差別不大。此3種像控點(diǎn)布設(shè)方案完全可以滿足規(guī)范精度要求，但是外業(yè)工作量比較大。

2)隔航帶、隔8條基線布設(shè)像控點(diǎn)，其平面平均中誤差為±0．697 1 m，滿足規(guī)范≤1．2 m的精度要求。每個檢查點(diǎn)的單點(diǎn)中誤差也符合規(guī)范要求。但與前3種方案相比，在控制點(diǎn)減少的情況下，雖然檢查點(diǎn)的單點(diǎn)中誤差增大，整體精度出現(xiàn)明顯下降，但是此種方法在滿足規(guī)范精度要求前提下，同時也大大減少了外業(yè)工作量。

3)隔航帶、隔10條基線布設(shè)像控點(diǎn)，其平面平均中誤差為±0．779 1 m，沒有超出規(guī)范的限差要求，但其檢查點(diǎn)單點(diǎn)平面中誤差有超限情況，超限差比例為8%，并且接近限差的檢查點(diǎn)比例為25%。說明在控制點(diǎn)減少的情況下，此種方案制作的正射影像整體精度出現(xiàn)下降，局部范圍精度會超出規(guī)范限差要求。正射影像面積越大，對精度的影響也會增大。

4)隔航帶、隔12條基線布設(shè)像控點(diǎn)，其平面平均中誤差為±0．968 0 m，雖然沒有超出規(guī)范限差要求，但是檢查點(diǎn)單點(diǎn)平面中誤差超限比例為33%，接近限差要求的檢查點(diǎn)比例為50%。所以，此種布設(shè)方法已經(jīng)不宜采用。

制作1∶1000正射影像圖，通過對像控點(diǎn)布設(shè)方法的精度統(tǒng)計(jì)，可以看出：

隔航帶、隔6條基線布設(shè)像控點(diǎn)，其平面平均中誤差為±0．472 6 m，可以滿足規(guī)范≤0．6 m的精度要求。其中接近限差要求的檢查點(diǎn)比例為42%，說明此種布設(shè)方法制作正射影像整體精度已經(jīng)接近規(guī)范的限差要求。所以，此種布設(shè)方法是最為合理的。

七、試驗(yàn)結(jié)論和需要注意的問題

1．試驗(yàn)結(jié)論

通過以上試驗(yàn)結(jié)果，可以得出一些結(jié)論：

1)制作1∶2000數(shù)字正射影像，隔航帶、隔12條以內(nèi)布設(shè)像控點(diǎn)都可以滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930—2008)的精度要求。但隨著測區(qū)的面積增大和有不規(guī)則的區(qū)域的存在，同時考慮無人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等因素。從內(nèi)外業(yè)綜合考慮，采用隔航帶、隔8條基線布設(shè)像控點(diǎn)最為合理。

2)制作1∶1000數(shù)字正射影像，隔航帶、隔6條基線布設(shè)像控點(diǎn)滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求，同時也是最為合理的布設(shè)方法。

2．需要注意的問題

1)保證質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)源。無人機(jī)在航攝時盡量保持較好的飛行姿態(tài)，航攝時光線比較充足，以便獲取較好質(zhì)量的原始航片。

2)為了保證整個測區(qū)的精度控制，飛行架次的首尾航帶，以及航帶的首尾航片最好布設(shè)像控點(diǎn)。

3)在不規(guī)則區(qū)域，如整個測區(qū)相對突出的地方，相應(yīng)要增加布設(shè)像控點(diǎn)，保證整個測區(qū)的構(gòu)網(wǎng)精度。

八、結(jié)束語

利用無人機(jī)航拍成果制作DOM時，不僅在航飛階段要嚴(yán)格遵循飛行設(shè)計(jì)，在像控點(diǎn)布設(shè)和后處理等環(huán)節(jié)中也都有著嚴(yán)格的要求。試驗(yàn)采用固定翼無人機(jī)飛行平臺，單GPS定位，配備佳能5D MarkⅡ數(shù)碼相機(jī)，這些無人機(jī)配置在目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛。通過對無人機(jī)航攝像控點(diǎn)布設(shè)方法的探討，總結(jié)出制作1∶1000和1∶2000數(shù)字正射影像圖較合理的像控點(diǎn)布設(shè)方法，大大減少了外業(yè)工作量和生產(chǎn)成本，有利于提高無人機(jī)制作數(shù)字正射影像的整體工作效率。

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