像控點對無人機壩區(qū)遙感影像成果精度的影響分析

廖 瑤，田鵬舉，李 雪，黃林峰，胡 鋒，宋善海

(貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

無人機遙感具有成本低、機動靈活、維護簡單等特點，成為繼衛(wèi)星遙感和有人機遙感后最為有效的低空遙感平臺，已經(jīng)成為低空航空遙感的主流平臺[1]。近年來，無人機已在災害應急監(jiān)測[2-3]、災損評估[4]、作物長勢監(jiān)測[5]等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

在無人機遙感中，最重要的2個成果是正射影像和DSM。正射影像是一種數(shù)字測繪產(chǎn)品，同時具有幾何精度、數(shù)學精度和影像特征，反映了地物的空間平面位置。DSM地形數(shù)據(jù)表征地物的表面高低起伏，對地理地形地貌的研究具有重要作用，同時也是測量地物表面積的重要數(shù)據(jù)。

小型消費級無人機上手容易，攜帶方便，是貴州復雜地形條件下開展無人機遙感的利器。同時也由于地形復雜，對是否需要像控點，像控點的有無以及多少對無人機正射影像和地形成果的精度影響有多大，這些是利用無人機遙感開展33.3 hm2以上壩區(qū)服務的過程中亟需解答的問題。為此，本文選擇榕江縣忠誠壩區(qū)，擬開展4個方面的研究：①利用高精度差分GPS獲取地面控制點和檢查點的高精度三維坐標；②應用消費級無人機大疆御2pro獲取壩區(qū)正射影像和DSM；③研究像控點和刺點照片數(shù)量對定位精度的影響；④研究有無像控點對面積計算的影響。

1 設(shè)備介紹

使用大疆御2pro無人機、大疆GS PRO地面站軟件和天宇C6 RTK高精度GPS測量系統(tǒng)，大疆御2pro采用了有效像素達2 000萬的1英寸CMOS，相機傳感器寬13.2 mm，高8.8 mm，機身小巧，起飛重量只有907 g，單塊電池續(xù)航時間大于20 min；大疆GS PRO軟件是大疆開發(fā)的地面站軟件，支持測區(qū)導入功能(5次免費，其后收費)、航線規(guī)劃也容易上手；天宇C6 RTK測量系統(tǒng)具有厘米級定位精度，可使用免費的網(wǎng)絡(luò)RTK服務，只需攜帶一個移動站。

2 構(gòu)建正射影像和DSM

2.1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)位于榕江忠誠大壩，屬于貴州33.3 hm2以上壩區(qū)的萬畝大壩，平均海拔兩百多米，壩區(qū)地勢較平，地貌多樣，包括河流、農(nóng)田、道路、居民區(qū)、丘陵等地類。

2.2 像控點和檢查點布設(shè)及測量

為了檢查有像控點和無像控點對正射影像平面精度和DSM成果高程精度的影響，布設(shè)了9個像控點，像控點為直徑0.5 m的圓形靶標紙，分布于研究區(qū)四周，共布設(shè)了9個控制點和14個檢查點，使用千尋賬號登錄的網(wǎng)絡(luò)RTK方式對控制點和檢查點進行觀測，獲取了高精度三維坐標，采用的坐標系為CGCS2000，大地高程作為高程系統(tǒng)。由于后期照片數(shù)據(jù)丟失找不到有些點的位置，故最終只采用了4個控制點和8個檢查點數(shù)據(jù)。

2.3 航線設(shè)計及數(shù)據(jù)采集

使用大疆GS PRO地面站軟件進行航線設(shè)計，事先使用奧維地圖確定了研究區(qū)矢量，并且導入了大疆GS PRO地面站，到達現(xiàn)場后勘測了邊界，根據(jù)實際情況修改了研究區(qū)的實際范圍。最終測區(qū)為長約7 km，寬約2 km的長條形區(qū)域，設(shè)計無人機相對飛行高度296 m，地面分辨率7 cm，航向重疊率為80%，旁向重疊率為65%，采用等距間隔拍照，航線設(shè)計如圖1所示。為加快作業(yè)進度，減少無人機在往返起飛點路上浪費的電量，根據(jù)航拍推進情況變換起飛點，總共飛行了20多個架次，拍攝了2 108張照片。拍攝完成后，導入PIX4D軟件進行快速檢查，通過生成的質(zhì)量報告發(fā)現(xiàn)重疊率滿足要求，外業(yè)工作滿足需要，可以進入內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)。

圖1 無人機飛行航線設(shè)計圖Fig.1 Flight route plan of UAV

2.4 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

在獲取航拍照片后，使用PIX4D軟件進行內(nèi)業(yè)處理，共進行了3次對照處理實驗：第1次采用無像控點的處理方式；第2次采用有像控點，但每個像控點刺點的照片為5張；第3次采用有像控點，但每個像控點刺點的照片為9～11張。由于照片較多，每次實驗耗時約28 h。初始化處理后，軟件自動生成了質(zhì)量報告，通過質(zhì)量報告看到整體質(zhì)量較好。經(jīng)過初始化、DSM生成、正射影像生成等處理步驟生成了最終成果。像控點和檢查點所在的位置如圖2所示，檢查點主要是便于識別的地物、如道路斑馬線邊緣、水泥樁邊緣等。

圖2 像控點和檢查點所在位置Fig.2 Location map of image control point and check point

3 成果檢查

成果檢查采用平面誤差、高程誤差、平面中誤差和高程中誤差來進行精度評價，計算公式見(1)～(4)：

(1)

高程誤差：Zn1-Zn2

(2)

平面中誤差：

(3)

(4)

其中an1、an2分別為第n個點的測量值和真值的橫坐標值，bn1、bn2分別為第n個點的測量值和真值的縱坐標值，Zn1、Zn2分別為第n個點的測量值和真值的高程值。

航拍前已經(jīng)通過RTK測量了檢查點的三維坐標，將其作為真值，利用處理后的正射影像疊加DSM成果，找到檢查點的位置，讀取出正射影像成果和DSM成果上檢查點的三維坐標，作為測量值；為了使3次處理實驗讀取的圖上位置完全相同，每次讀取精確到相同的像素上。最后計算出平面誤差、高程誤差、平面中誤差和高程中誤差，并進行精度對比分析，統(tǒng)計結(jié)果見表1和表2。

表1 部分點成果精度統(tǒng)計表(單位：m)Tab.1 Statistical table of products accuracy(unit：m)

表2 中誤差結(jié)果統(tǒng)計表(單位：m)Tab.2 Statistical table of mean square error(unit：m)

從表1可以看出，有像控點的結(jié)果(第1次RTK成果和第2次RTK成果)遠遠好于無像控點的結(jié)果，刺點的照片越多(第2次RTK成果)，整體誤差也越小。從表2中誤差計算結(jié)果表明，具有像控點的成果平面中誤差和高程中誤差均遠低于無像控點成果，中誤差要小一個數(shù)量級以上。

4 像控點對面積計算的影響

隨機選取壩區(qū)正射影像中的一個山體和一塊農(nóng)田作為實驗對象，計算有無像控點對計算結(jié)果的影響，山體和農(nóng)田的位置和情況分別如圖3和圖4所示。

圖3 面積實驗的山體和農(nóng)田在壩區(qū)的位置示意Fig.3 The location of mountain and farmland area experiment in the dam

從圖4可以看出，無像控點的正射影像成果水平定位偏差比較大，前面成果檢查已經(jīng)有很好的體現(xiàn)，特別是大比例尺成果圖上能更加明顯的顯示出這種差異(圖4a比例尺是1∶1 500，4b比例尺是1∶12 000)。計算得出，通過無像控的DSM成果計算山體表面積為583 860 m2，有像控點的計算結(jié)果為527 313 m2，相差約10%左右；農(nóng)田無像控點正射影像面積為1 315.16 m2，有像控點的結(jié)果為1 315.76 m2，面積幾乎沒有差別。因而，利用無人機作為壩區(qū)農(nóng)田種植面積計算，可以不需要像控點，如果是計算山體等地形起伏大的對象表面積，則需要像控點來提高高程的精度，進而提高計算結(jié)果的準確度。

圖4 面積試驗范圍(a：山體，b：農(nóng)田)Fig.4 Area experiment range(a:Mountain,b:Farmland)

5 結(jié)論

實驗表明，使用大疆御2PRO無人機結(jié)合少量RTK像控點可以得到定位精度較高的正射影像和精度較高的DSM成果，像控點數(shù)量肯定越多越好，但如果時間緊任務重，沒有足夠的時間布設(shè)像控點，則在研究區(qū)四個角布設(shè)幾個像控點的結(jié)果會遠好于沒有像控點的結(jié)果，而且無像控點的DSM成果會影響地形起伏大的體表面積計算結(jié)果的精度，但如果只需要計算正射影像的面積，則無像控點對結(jié)果幾乎沒有影響，可以無需布設(shè)像控點，從而節(jié)省布設(shè)像控點的大量時間。