高海拔山區像控點分布對測量精度的影響分析

柏宏強，夏永華，李澤邦，郭 雨

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高海拔山區像控點分布對測量精度的影響分析

柏宏強1，夏永華1，李澤邦2，郭 雨2

（1. 昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2. 云南省高校高原山區 空間信息測繪技術應用工程研究中心，云南 650093）

低空無人機攝影測量具有快速獲取地面高分辨率影像、使用方便靈活等優點。影響無人機攝影測量精度的因素有很多，本文重點研究不同像控點的布設對測量精度的分析。試驗選取的地點地形變化復雜，高差變化明顯，是高海拔山區的典型地形，利用SVSUAV軟件對獲取的影像處理后得到空三平差、數字正射影像以及數字線畫圖等成果，與GPS-RTK實測數據對比得出空三平差后各檢查點的坐標差值，本次實驗共布設三種像控點布設方案，分別是航線網法、區域網法和優化航線網區域網法的布設方案。分析得出的結論是，優化方案有效合理，對于高海拔山區無人機攝影測量精度有明顯提高，在小面積無人機測繪作業中有很大優勢。

高海拔山區；像控點布設；空三測量平差；數字正射影像；精度分析

0 引言

近年來，測繪儀器發展迅速，特別是無人機測量興起，輕型無人機平臺與控制系統和標準消費級數碼相機[1]逐步進入了測繪領域，改變了傳統測量手段，在小區域范圍內無人機攝影測量技術得到了廣泛應用，特別是在城市建設、城市管理、應急救災[2]、自主監視、攝影測量三維建模[3]等領域。云南地處高海拔地區、地形地貌多變、空氣對流情況復雜，無人機攝影測量技術面臨著更多的考驗。

因此，優化無人機攝影測量的方法顯得尤為重要，像控點的分布直接影響到數據精度，國內近幾年實際生產中都是利用航線網法、區域網法、全野外法等方法布設像控點，對于高差較大地區難以達到目前的工程需求。本文結合實際項目，對于高海拔，高差大、地形復雜地區的像控點布設方案進行探討研究，對不同像控點布設的精度變化，優化像控點布設方法，結合多種布點方法進行試驗，找出適合高海拔、高差大、復雜地形地貌的像控點布設方案。

1 無人機攝影測量數據采集

1.1 無人機攝影測量系統組成

無人機攝影測量系統一般分為：無人機飛行平臺、飛控系統、地面監測系統、任務準備、數據傳輸系統、發射與回收系統和地面保障設備七個部分[5]。

1.2 數據采集的一般流程

參考國家規范《1:500 1:1000 1:2000比例尺地形圖航空攝影規范》（GB6962-86）闡述無人機攝影測量的外業作業流程，一般作業流程如圖1所示。

圖1 數據采集流程圖

1.3 試驗區概況

試驗區位于云南省武定縣城東南部，測區地形主要是山地，坡度大于45°，測區平均高程約1780 m左右，地形復雜、落差大，是云南地形的典型代表，測區內有大矣波村的居民點，植被密度不超過30%，適合利用無人機攝影測量技術作業，測區范圍如圖2所示。

圖2 試驗區

2 無人機攝影測量像控點布設方案

影響無人機攝影測量因素有：飛行姿態及飛行速度不穩定、相機的鏡頭畸變差、內方位元素、像控點分布不同等因素[8]。

由于試驗測區為高山地、地形變化復雜、局部高差大等特殊地形。通過可控制手段優化像控點分布，使得測量精度達到更高，因此在不改變外業航攝成果基礎上，對像控點布設方案上加以改進，應用以下方案解算比較精度發生的變化。

2.1 航線網法

航線網布設方法：按照航線每分段布設六個平高點稱為六點法如圖3所示；如果每分段布設八個平高點稱為八點法；如果航線網的長度比較短小于最大允許長度的3/4，又大于1/2的航線網，可以布設5個平高點稱為五點法。

圖3 航線網法布設示意圖

2.2 方案二（區域網法）

參考規范《GBT 7931-2008 1：500 1：1000 1：2000地形圖航空攝影測量外業規范》和《CHZ 3004-2010低空數字航空攝影測量內業規范》，區域網布點時應該滿足一下要求：

（1）區域網內不包括在航飛時重疊的航線和像對，不包括大面積的云影、陰影等；

（2）精度依據規范CHZ 3003-2010來選取適當的間隔基線數，特殊地區（大面積沙漠、戈壁、沼澤、森林等）平面和高程誤差可以適當放寬；

區域網用于加密平面控制點時，可以沿測區周邊布設4個、6個、8個平高點特殊地形特殊處理，分別如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 區域網四點法

圖5 區域網六點法

圖6 區域網布八點法

圖7 區域網六點法加高程點

圖8 區域網法（特殊地形）

2.3 方案三（ 優化航線網法和區域網法）

參照低空攝影測量像控點布設規范，結合航線網法以及區域網法，利用其優點，針對特殊地形進行像控點加密，例如圖9中的三角形紅點為加密點，加密依據為：

（1）落差大的地區需要對坡頂和坡底分別布設相應像控點；

（2）對于地形變化較大的地區需要加設像控點；

（3）重要地物附近應加設像控點，例如：房屋、電力設施、專題地圖要素等應加設像控點，保障重要地物的精度，如圖9加設控制點，圖中紅色三角形代表加設點。

3 數據處理及精度統計

3.1 SVSUAV軟件介紹

武漢智覺空間無人機攝影測量軟件 SVSUAV，它包括高精度且靈活的相機標定模塊、影像自動預處理、自動劃分航線、自動空三測量模塊、空三交互編輯模塊、自主區域網平差、支持高精度GPS/ IMU輔助平差、高密度高精度DSM點云生成模塊、DEM/DOM 聯動編輯模塊、自動化的DOM 裁切模塊、DEM LOD 細節層次模型生成模塊等優點。

3.2 數據處理流程

數據處理的基本流程為數據預處理、空三加密、成果生產與輸出。

數據預處理：首先準備好原始影像、相文件、控制點文件以及POS數據文件，打開軟件新建測區設置好相關參數，將影像、POS數據導入軟件導入控制點文件并設置航帶后可以開始預處理。

空三加密：將預處理好的影像先進行自動匹配轉點，進行自由網平差（如果點比較稀疏需要進行二次轉點），刺像控點，進行區域網平差，最后將空三成果輸出，部分過程圖和成果圖展示如圖10、圖11、圖12、圖13。

圖10 正射影像融合圖

圖11 修改后的數字表面模型

成果生產與輸出：利用空三成果可以生產出數字線畫圖、數字高程模型、數字正射影像等。

3.3 精度統計

通過以上三種像控點布設方案，利用SVSUAV軟件解算，得出空三加密成果及數字正射影像，與利用GPS-RTK測量的結果做比較，計算出檢查點的平面中誤差，高程中誤差和平高點的中誤差。

檢查點整體中誤差計算公式[10]見以下（1）式：

圖13 DOM成果圖

共測得60個平高點作為檢查點，通過統計計算得出空三加密后檢查點各方案的精度情況見表1，正射影像圖的各方案精度統計見下表2。

表1 空三加密后檢查點各方案精度統計 單位：米

Tab.1 Accuracy statistics of checkpoints after empty triple encryption Unit: m

表2 正射影像圖各方案精度統計 單位：米

Tab.2 Accuracy Statistics of Schemes for DOM Unit: m

4 結論

針對低空無人機在高海拔山區進行研究了像控點布設的方案，通過表1和表2分析得出空三平差后檢查點精度和正射影像圖精度的結論是：

（1）空三平差優化后的航線網和區域網法精度高于前面兩種方案，在像控點數量少的情況下，高程誤差會偏大，隨著像控點布設方案改善，高程中誤差也逐漸減小。因此，在我們今后實施無人機攝影測量時應該結合區域網布點和航線網法布點并且應該在地形復雜，落差大，重要地物區域加設像控點，提高數據精度。

（2）正射影像對像控點布設方案要求不是非常高，航線網法與區域網法的精度都比較理想，優化后的航線區域網法的精度有明顯提高。數據顯示點位中誤差變小，說明這個方法有效合理。

導致數據質量差的可能原因有：像控點分布不均勻，集中于某一片區、像控點數量太少、個別像控點位置不理想，布設位置上有一定坡度、在高差較大地區未增加像控點個數、飛行姿態不穩定導致自由網平差部分區域誤差較大等。對于航拍影像 模糊的情況我們應加以處理，使得照片的質量達到最優。

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Analysis of Influence of Image Control Point Distribution on Measurement Accuracy in High Altitude Mountain Areas

BAI Hong-qiang1, XIA Yong-hua1, LI Ze-bang2, GUO Yu2

(1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2. Surveying&Mapping Technology and Application Research Center on Plateau Mountains of Yunnan Higher Education, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Low altitude UAV photogrammetry has the advantages of quick acquisition of high resolution images on the ground, convenient and flexible use.There are many factors that affect the accuracy of drone's photogrammetry. This paper focuses on the analysis of the measurement accuracy of the layout of different image control points.The terrain changes in the site of the test are complex and the height difference is obvious. It is a typical terrain in high altitude mountain area. By using the SVSUAV software, the results of the empty three plane difference, the Digital Orthophoto Image and the digital line drawing after the acquired image processing are obtained, and the difference of the coordinates of each checkpoint after the empty three plane difference is compared with the measured data from the GPS-RTK. In the second experiment, three image control points were set up, namely, the route grid method, the area grid method and the optimized grid area grid method.The conclusion of the analysis is that the optimization scheme is effective and reasonable, and the accuracy of photogrammetry for high-altitude mountain drones is significantly improved, and it has great advantages in the small-area drone surveying operations.

High altitude mountain area; Image control point layout; Aerotriangulation adjustment; Digital orthophoto; Precision analysis

TP79

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.029

柏宏強(1994-)，男，研究生，主要研究方向：無人機攝影測量及點云數據處理；夏永華(1972-)，男，副教授，主要研究方向：測繪工程、點云數據處理及3S技術等研究；李澤邦(1991-)，男，研究生，主要研究方向：三維激光點云數據處理；郭雨(1993-)，男，研究生，主要研究方向：三維激光點云數據處理。

本文著錄格式：柏宏強，夏永華，李澤邦，等. 高海拔山區像控點分布對測量精度的影響分析[J]. 軟件，2018，39（9）：144-148