補充構架航線在低精度POS航攝數據測圖中的應用

鄧永火

(廈門圖辰信息科技有限公司, 福建 廈門 361008)

0 引言

隨著遙感影像數據的廣泛應用,快速獲取最新的遙感影像數據顯的尤為重要。利用無人機搭載各類傳感器進行低空航攝獲取各類數據的手段已被測繪各界所認可,也是解決快速獲取數據的重要手段,這一技術也為現代測繪的發展起到關鍵作用[1]。

無人機在低空遙感領域的應用也有十余年,無人機廠商越來越多,且種類多樣,自身飛控、飛行安全、飛行時間、搭載的傳感器等都有著顯著提升,這也讓無人機系統在測繪行業逐漸成為不可缺少的設備[2]。近年來測繪單位大量采購無人機航攝設備,其中大多數固定翼無人機暫未安裝動態差分定位模塊,無法獲得高精度位置與姿態測量系統(Position and Orientation System，POS)信息數據[3],這就需要在內業空三加密過程,提供大量的像片控制點成果,以滿足精度要求。近幾年,隨著差分定位技術的不斷完善,差分模塊也不斷向微型、高性能發展,其在無人機上的應用也越來越普遍,實時動態(Real Time Kinematic,RTK)和動態后處理(Post Processing Kinetic,PPK)成為了提升無人機定位精度的關鍵技術[4]。據國內外學者研究發現,使用雙頻全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機,在運動條件下的定位精度可以達到厘米級,將差分模塊集成于無人機上,經輔助光束法平差,同樣可以獲得厘米級的對地定位精度,適用于快速三維構建與地形成圖[5]。可見,差分技術為攝影測量作業提供了精度保障,也為減少野外工作量指明了方向,其中,部分學者在輔助光束法平差的基礎上,采用構架航線布設模式,增加了影像的重疊范圍,實現影像關聯的加固,進而提升了平差的魯棒性[6],經實驗驗證,在大比例尺測圖中,僅需在區域范圍布設4個角點即可滿足精度要求。

本文致力于研究在減少野外作業量的同時,如何更大化地利用現存的含低精度POS信息的影像數據,進而達到測圖精度要求。考慮大疆公司研制的精靈4 RTK四旋翼無人機集成了全新的RTK模塊,擁有強大的抗磁干擾和精準定位能力,不僅飛行姿態穩定,而且可以提供實時厘米級的實時定位精度。利用這樣的優勢來執行架構航線的飛行任務,就能獲得很穩定的高精度的架構航線影像坐標,再加上少量分布均勻的控制點,探索是否可以提升空三加密的成果精度,在降低成本的同時能否提高生產效率。因此，本文將對實驗中所獲得的數據情況進行闡述和說明。

1 原理與方法

1.1 構架航線下的區域網平差原理

攝影測量的野外控制點布設方案中有兩種控制點布設形式:一是在常規航線的兩端布設高程控制點;二是在常規航線的基礎上增飛兩條垂直的構架航線,并在任務區域四個角分別布設平高控制點。對于一般航攝條件而言,航線之間滿足4度或者6度重疊,構架航線與常規航線之間同樣滿足這樣的重疊條件,但在空中三角測量過程,我們選擇一條構架航線與兩條常規航線間的連接點,這樣可以達到6度甚至9度重疊。可見,構架航線的引入能較好地得到相應的轉點,有效消除GNSS的漂移誤差,下面以高程平差為例,建立誤差方程。

設常規航線標號為i、i+1,構架航線標號為j,可以列出如下誤差方程式:

(1)

經做差消去ZT,得到改化后的誤差方程形式如下:

(2)

構建航線參與空中三角測量,可加密出大量連接點,增加模型穩定性,因此，可以降低對控制點的需求。將高精度差分GNSS攝站坐標應用于區域網平差過程,可進一步提升模型對地定位精度,減少控制點布設數量。

1.2 GNSS輔助空中三角測量方法

GNSS輔助光束法平差是指在空中三角測量過程中,將差分GNSS模塊獲取的高精度位置信息作為觀測量，與像點坐標、地面點坐標、檢校參數一同參與到聯合平差的過程[9]。輔助光束法平差可以有效降低連接網的偏移誤差,進而實現將地面控制轉移到空中絕對定位。此時,再引入少量地面控制點后,就可以校準GNSS系統誤差,完成基準統一,達到減少控制點需求數量的目的。

根據攝影測量共線條件方程,列得誤差方程如式(3)所示:

(3)

由于本文常規航線和構架航線所獲取攝站坐標精度不一致,因此,應用式(4)評定GNSS攝站坐標的權矩陣:

(4)

(5)

經最小二乘平差解算,獲得各觀測值最優解。

2 研究概況

2.1 研究區域情況

實驗選取某丘陵地區,地理位置在34°30″～34°32″N和113°05″～113°06″E,總面積約3 km2,測區屬北暖溫帶大陸性季風氣候,四季分明、溫差大,常年干旱少雨,降水量多集中在6～8月。年平均氣溫14 ℃,無霜期238 d,年平均降雨量641 mm,全年日照時間約2 400 h,光照充足,7月份最熱,1月最冷,晝夜溫差大。測區分布包括植被、河流、村莊、道路等,利于無人機飛行與控制點布設。

2.2 數據獲取

實驗選用精靈4 RTK四旋翼無人機作為航攝平臺,為保證立體測圖的影像重疊要求,在航線規劃時將航向重疊度設置為80%,旁向重疊度設置為60%。首先,在未使用RTK功能的情況下,完成測區南北常規5條航線飛行任務,獲取影像179張;而后,架設基準站,使用RTK功能,完成東西2條航線飛行,獲取影像34張,即共獲取影像213張。無人機系統構成如圖1所示。

圖1 精靈4 RTK無人機系統

與此同時,在任務區域應用RTK量測了34個點位作為地面控制點與檢查點,點位平面坐標系為CGCS2000,三度帶投影,高程采用正常高,任務區域地理概況和點位分布情況如圖2所示。

圖2 區域地理概況和點位分布情況

2.3 作業流程

利用無人機航空遙感資料,根據野外實測控制點進行全數字空中三角測量計算,采用inpho無人機數字攝影測量工作站,通過光束區域網整體平差,得到加密點坐標成果及相片外方位元素,組織實施測區1∶2 000比例尺數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG)數據生產,無人機影像處理流程如圖3所示。

圖3 無人機影像處理流程

3 研究方法

3.1 補充架構航線設計

為改善航攝過程產生的偏移誤差,傳統空中三角測量要求在航線兩端布設控制點,實現精度校正[7]。構架航線的增設可以有效提高影像重疊維度,提升連接點數量,在某種程度上,達到了加固平差網的目的[8]。本文在常規航線的基礎上,布設兩條垂直于常規航線的構架航線,如圖4所示。其中,構架航線采用RTK定位功能,可以獲取高精度影像位置信息,故在增強模型穩定性的同時,能夠進一步降低對控制點的需求。

圖4 構架航線布設形式

3.2 精度評定原則

GNSS輔助光束法平差恢復了影像的空間絕對位置,建立了像點、地面點的幾何關系。因此,對于影像上的任意像點,均可通過計算獲得其對應的地面點坐標[10]。本文通過野外控制測量的方式布設了一定數量的地面控制點與檢查點,其中檢查點也可以通過模型解算獲得坐標,因此，可以統計出檢查點在三個坐標方向的中誤差ux,uy,uz,如式(6)所示:

(6)

式中,(Xw,Yw,Zw)表示經外業測得的坐標值；(Xn,Yn,Zn)表示經輔助光束法平差解算所得的坐標值；n為檢查點個數。

4 數據處理

4.1 實驗方案

本文在影像處理時設計了兩組實驗,第一組實驗是驗證補充構架航線的引入能否提升影像的對地定位精度;第二組實驗是驗證補充構架航線能否有效降低對控制點數量的需求,并探究最優的控制點布設原則。其中實驗一主要對兩種方案實施精度比較,實驗二是對四種方案實施精度比較,每種方案的設置情況如表1所示。

表1 實驗方案情況

對以上實驗方案采用inpho軟件進行空三加密,并完成控制點刺點與檢查點立體量測,空中三角測量的具體實施要求包括以下幾個方面:

(1)空中三角測量正式實施前,應進行充分的準備工作。包括進行加密分區,創建測區目錄、測區信息文件、攝影信息文件、控制點坐標信息文件,進行影像畸變改正并制作金字塔影像。

(2)平差方法:光束法區域網整體平差。

(3)空中三角測量采用半自動交互式作業方式,每個像對連接點應分布均勻,每個標準點位區應有連接點。自動相對定向時,每個像對連接點數目一般不少于30個。

(4)標準點位區落水時,應沿水涯線均勻選擇連接點,增強連接強度。

(5)航向連接點宜3度重疊,旁向連接點宜6度重疊,作業范圍線以外應有連接點。

(6)加密區應選取一定數量的檢查點,用于DOM、DEM、DLG成果精度評定。

4.2 結果與分析

首先,對實驗1的2種方案實施空中三角測量計算,將模型中拾取的檢查點坐標與野外測量結果對比后,統計16個檢查點的相對誤差情況,如圖5所示。

圖5 檢查點相對誤差統計情況

應用公式(4)計算圖5所示的相對誤差結果,得到兩個方案下檢查點在三個坐標方向的中誤差情況,如圖6所示。

圖6 實驗一檢查點中誤差

本文通過實驗二設計的4種計算方案,驗證在構架航線條件下,引入控制點后影像的對地定位精度及對控制點數量的依賴程度。在實施空中三角測量計算后,同樣將檢查點的模型拾取坐標與野外測量結果作對比,得到相對誤差統計結果后,計算各方案下檢查點的中誤差情況,如圖7所示。

圖7 實驗二檢查點中誤差

實驗一,在未使用構架航線時檢查點在三個方向的中誤差為:ux=1.20 m;uy=1.17 m;uz=1.69 m,在引入含有高精度構架航線后,檢查點在三個方向的中誤差為:ux=0.49 m;uy=0.82 m;uz=1.55 m。可見,構架航線的引入能有效提升空中三角測量精度,其中在水平方向上精度提升明顯,高程方向提升略差。

實驗二,通過四種方案下檢查點的中誤差對比,在采用常規航線和傳統控制點布設模式下,檢查點在三個方向的中誤差為:ux=0.05 m，uy=0.04 m，uz=0.13 m；采用構架航線后,當引入4個角控制點時,檢查點在三個方向的中誤差為:ux=0.13 m，uy=0.09 m，uz=0.25 m；當引入4個角控制點和區域中間2個控制點后,檢查點在三個方向的中誤差為:ux=0.06 m，uy=0.05 m，uz=0.11 m；當引入4個角控制點和區域中間4個控制點后,檢查點在三個方向的中誤差為:ux=0.04 m，uy=0.05 m，uz=0.09 m。可見,在引入構架航線后,僅需布設少量的地面控制點就可以大幅度提升影像的對地定位精度,就本文實驗而言,當引入區域6個控制點后,空中三角測量精度就與傳統航線布設18個控制點方案精度相當,當繼續增加控制點數量,精度提升則不再明顯。因此,本文補充構架航線的最佳控制點布設模式即為4個角控制點與2個區域中間控制點。

5 結束語

在利用無人機攝影測量技術實施地形圖生產過程中,為降低野外控制點布設的工作量,本文設計了補充構架航線并分析了其對空中三角測量精度的影響,在GNSS輔助光束法平差過程中,通過合理設置不同觀測值權重,提升了模型的解算精度與穩定性。經兩組實驗設計,對不同數據處理方案實施精度分析,得出補充構架航線能有效提升光束法平差精度,減少野外控制點布設數量,當選用4個角控制點與2個區域中間控制點的布局時,測量精度最佳,滿足大比例尺測圖精度要求。