基于方格網算法的無人機航攝成圖精度研究

萬義有,李勇華

(江西有色地質勘查三隊,江西 新余 338000)

低空航拍高分辨率影像和實地點觀測是現代大比例地形圖制作的關鍵,其成圖效率和精度遠超傳統的全站儀、水準儀[1]。近年來,無人機航拍攝影與傾斜攝影技術相結合,不斷推出三維模型地圖產品,在城市應急、森林防火、規劃建設等方面發揮了不可忽視的作用。如今,無人機航空攝影測量技術在大比例測圖中的應用越來越廣泛,其成圖精度問題也得到了業內學者的關注。目前,已有大量學者從像控點數量、航攝系統優化、空中三角形加密算法等方面對其精度的提高進行了研究[2]。然而,針對傾斜攝影三維模型高程精度的研究還不充分。為此,本文針對大比例地形圖三維模型高程擬合問題進行了深入研究,提出了方格網擬合算法,減少了對實地觀測點的依賴,降低了高程擬合的誤差。

1 方格網算法的原理分析

方格網是工程制圖的基本概念,常常以正方形、長方形的形式對平面控制網進行劃分,以便得到計算處理最小單元[3]。在在地形圖的制作過程中,方格網常常成為矢量文件的劃分單元,通過一定算法要求對各個方格內部的數據點屬性進行統一處理和編輯。方格網的用處比較多,包括：在矢量文件柵格化處理中,以方格網為基礎,將圖形的各部分轉化為柵格像元,從而達到柵格化目的；在進行土方量計算、圖形面積計算中,借助方格網的面積、體積,按照“四舍五入”的原則進行加和計算,得到結果；在高程加密中,以方格網估算距離,進行差值,得到不同密度的高程網。

方格網算法則是在方格網的基礎上,以方格為處理單位,對方格內的數據點進行平均化處理。以高程擬合應用為例,在處理(X,Y,Z)格式數據點時,在(X,Y)構成的平面上生成單位長度的方格,形成方格網,而每個方格的高程值采用方格內所有數據點的高程平均值。如此一來,同一方格內數據點的高程值得到了平均化處理,大大規避了個別高程值對整個高程擬合的偏離影響,減少了局部錯誤,提高了整體的高程擬合效果。

2 無人機航攝成圖的工作流程

圖1 無人機航攝成圖的工作流程圖

無人機航攝成圖包含著外業數據采集和內業數據處理兩部分工作[4],結合多年工作經驗,其主要工作流程步驟如圖1所示。首先,根據測區面積、形狀以及無人機持續飛行能力,制定飛行方案,確定航帶方向、航帶數量；然后,對測區進行像控點布設,選定明顯特征點觀測,得到一系列像控點；接著,對影像數據進行預處理,調整影像的角度、格式、存儲方式；將數據導入數據處理軟件進行空中三角形加密處理,得到自動化處理模型；最后通過方格網算法對三維模型的高程進行精度優化和模型調整,得到最終的高程產品。

3 無人機航攝成圖的精度控制

3.1 三維模型制作過程高程誤差控制

為了進一步控制高程誤差,本文還從以下2個方面對三維模型的高程誤差進行了控制：第一：利用POS,剔除模糊影像。在進行三維模型處理前,將受光線、拍攝角度偏差、光照強度差異等因素影響的劣質影像進行剔除,避免質量差影像數據信息對整個三維模型擬合的干擾。第二：像控點多余觀測,提高匹配精度[5]。根據測量區域的特點,在原像控點布設方案的基礎上,進行了二次布設,對高程變化劇烈、地物復雜、地物位置干擾大的區域進行了加密布設。多余的像控點觀測增加了光束法區域網平差的限制,使得空中三角形加密匹配精度得以提高。

3.2 方格網算法對高程擬合精度的控制

方格網算法在對三維高程擬合的過程中,對高程精度的控制體現在兩個方面：第一：將采用單一高程點值進行擬合處理轉變為采用方格高程點平均值擬合,避免了單一高程點偏離實際位置造成的精度影響；第二：在高程擬合過程中,將多個格網的數據運用到高程差的估算,使得高程產品差值的高程數據更加精確,尤其在地物復雜多變的區域中,方格網算法能夠很好的發揮小范圍高精度擬合優勢。

4 應用實例

4.1 測區概況

本文選取了新余市渝水區某測區,距離市中心約20km,總面積94km2,包含了丘陵、山區、半山區等典型地形,整個測區高程差超過100m,因此,高程誤差不得忽視。本次采用了CGCS2000平面坐標系,1985國家高程基準,對人工實測困難、地形十分復雜的部分進行了方格網算法擬合。

4.2 數據獲取與處理

外業采用四旋翼型無人機系統,采用五鏡頭傾斜相機,將整個區域分為兩部分,8個航帶進行影像數據采集；在墻角、路口以及具有明顯區分性地點進行RTK實測,一部分用于高程擬合計算；另一部分用于擬合效果監測計算；內業采用Smart3D二次開發程序初步生成三維影像圖,采用DP-Modeler進行方格網算法高程擬合,對三維影像模型進行調整和優化。

4.3 數據處理過程

首先,采用Smart3DCapture三維處理軟件處理,導入像控點、刺點約束數據,進行空中三角形解算,查看空三關系模型有無明顯錯誤；然后,運用瓦片技術進行三維重建,得到初步三維模型；最后,將空三結果導入到DP-Modeler軟件中,在此軟件下,運用方格網算法,對三維模型的高程進行矢量化處理,得到三維模型一系列的高程值。

4.4高程擬合精度分析

為了驗證方格網算法在三維模型高程誤差約束中的作用,選取了測區內的部分點通過與實測數據對比,進行了精度統計,得到表1結果。

表1 測區內擬合高程與實測數據的比較

基于高程中誤差公式,對37點高程差進行求解,得到中誤差為0.24m,其中最大高程誤差為0.529m,最小高程誤差為0.033m。結合表1部分數據可以看出,方格網算法對高程誤差的約束有著明顯效果,高程誤差都在1∶2000大比例地形圖的誤差標準范圍內。

5 結語

本文通過對無人機航攝成圖三維模型高程誤差約束的研究,提出了方格網高程擬合算法,以方格為單位,將高程值平均化,大大降低了單一高程值點誤差對整個高程網擬合的精度影響,實驗證明,此方法是有效的,具有一定的推廣價值。