基于無人機(jī)航測像控點(diǎn)布設(shè)與空三測量精度關(guān)系的研究*

麻麗明，王貴麗，周 燕，李宇鵬

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北邢臺 054000）

0 引言

無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，與有人機(jī)相比，無人機(jī)操作簡單、反應(yīng)速度快，更適合一些危險(xiǎn)系數(shù)較高、環(huán)境惡劣的任務(wù)，無人機(jī)搭載不同的機(jī)載設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，比如航拍、航測、植保、電力巡線、搶險(xiǎn)救災(zāi)等等，極大拓展了無人機(jī)的應(yīng)用范圍，在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要的作用[1]。

面對不同的地理環(huán)境和數(shù)據(jù)的處理工作，傳統(tǒng)的攝影測量已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的作業(yè)環(huán)境，在測量的精度的要求上也往往達(dá)不到實(shí)際的工作要求。隨著現(xiàn)代攝影測量技術(shù)的不斷推廣，低空無人機(jī)遙感技術(shù)手段的普及，在航空攝影方面充分發(fā)揮了無人機(jī)的快速高效、工作時(shí)無人機(jī)的機(jī)動靈活性和數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)等諸多優(yōu)勢[2-3]，無人機(jī)遙感被普遍應(yīng)用于土地測量、地形地貌繪制、土地資源調(diào)查、城市規(guī)劃建設(shè)及地圖更新等方面。在整個(gè)攝影測量工作過程中，像控點(diǎn)的布設(shè)工作是整個(gè)攝影測量及數(shù)據(jù)處理、圖像測量的基礎(chǔ)，像控點(diǎn)的位置和個(gè)數(shù)的不同是影響外業(yè)工作過程中需要耗費(fèi)大量人力和物力的環(huán)節(jié)，更是后期數(shù)據(jù)處理解析空三和數(shù)字測圖的前提，針對不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案及像控點(diǎn)個(gè)數(shù)的不同，不僅影響了實(shí)際的工作效率，更直接影響了最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度，所以像控點(diǎn)的數(shù)量和位置的布設(shè)將影響航測后期數(shù)據(jù)的精度[4]。

本文結(jié)合實(shí)際的航測項(xiàng)目，從外業(yè)不同像控點(diǎn)的布設(shè)方案，分析研究不同像控點(diǎn)的布設(shè)方案對空三測量精度的關(guān)系。

1 無人機(jī)航測技術(shù)分析

無人機(jī)攝影測量技術(shù)要符合作業(yè)的要求，需要配備安全穩(wěn)定的無人機(jī)，根據(jù)測量的區(qū)域特點(diǎn)選擇無人機(jī)機(jī)型，本文選用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行攝影測量任務(wù)，并且搭載穩(wěn)定性能的攝影相機(jī)，對測量區(qū)域進(jìn)行分析并制定出合適的飛行航跡完成數(shù)據(jù)的采集和后期數(shù)據(jù)處理軟件等技術(shù)工作。無人機(jī)航測作業(yè)的技術(shù)的主要流程環(huán)節(jié)如圖1所示[5]。

圖1 無人機(jī)航測作業(yè)技術(shù)流程

2 像控點(diǎn)布設(shè)原則與方案分析

2.1 航測像控點(diǎn)的布設(shè)原則

利用無人機(jī)進(jìn)行航測飛行采集坐標(biāo)信息時(shí)，應(yīng)該選擇合適的像控點(diǎn)布設(shè)方案，才能在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)提高精度，減少不必要的工作時(shí)間，提升后期數(shù)據(jù)處理的高效性。在進(jìn)行地面像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)，需要遵循一定的原則[6]，還要根據(jù)實(shí)際的地理環(huán)境和任務(wù)要求，選擇最合適的像控點(diǎn)布設(shè)方案。以下是像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)的注意事項(xiàng)：

（1）在實(shí)測環(huán)境中，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)要盡可能均勻；

（2）在同一區(qū)域中的像控點(diǎn)要聯(lián)測成一個(gè)等高的點(diǎn)；

（3）在地平面中的像控點(diǎn)的布設(shè)位置上，要盡可能地避免像控點(diǎn)的連線為直線；

（4）在布設(shè)實(shí)際像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在布設(shè)位置上標(biāo)記上醒目的標(biāo)記，方便在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，準(zhǔn)確刺點(diǎn)，提高精度；

（5）在布設(shè)完畢的像控點(diǎn)位置后，應(yīng)進(jìn)行拍照保存，方便后期數(shù)據(jù)的處理，提高刺點(diǎn)的效率，節(jié)約工作時(shí)間。

2.2 航測像控點(diǎn)的布設(shè)方案

根據(jù)像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)的注意事項(xiàng)和原則，并根據(jù)實(shí)際的測量區(qū)域，本任務(wù)將考慮以下4個(gè)方案進(jìn)行布設(shè)像控點(diǎn)：（1）在實(shí)測區(qū)域的每個(gè)邊緣拐角進(jìn)行布設(shè)平高控制點(diǎn)；（2）在方案1的基礎(chǔ)上，在實(shí)測區(qū)域中心位置布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn)；（3）在方案2的基礎(chǔ)上，在實(shí)測區(qū)域的每個(gè)邊緣上再均勻增加平高控制點(diǎn)的布設(shè)；（4）在方案3的基礎(chǔ)上，在實(shí)測區(qū)域內(nèi)部再均勻增加少量平高控制點(diǎn)的布設(shè)。

3 像控點(diǎn)布設(shè)研究實(shí)例與分析

3.1 實(shí)測區(qū)概況及設(shè)備參數(shù)

實(shí)測區(qū)域位為河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，地理坐標(biāo)為北緯N37°05′38.65″，東經(jīng)E114°27′11.39″，東西南北為市區(qū)內(nèi)4條區(qū)域干道，實(shí)測區(qū)域?yàn)橐?guī)整的四邊形，區(qū)域比較規(guī)則，海拔高地落差小于5 m，實(shí)測區(qū)域內(nèi)的最高建筑為主教學(xué)樓，其高度大致約為60 m左右，地勢也比較平坦，學(xué)院實(shí)測面積約為55萬m2，該區(qū)域特征比較明顯，對實(shí)測區(qū)域像控點(diǎn)的布設(shè)方案與后期的數(shù)據(jù)處理空三加密解算的結(jié)果，分析探討出不同像控點(diǎn)布設(shè)方案對實(shí)測區(qū)域空三測量精度之間關(guān)系。實(shí)測區(qū)域俯視圖如圖2所示。

圖2 實(shí)測區(qū)域俯視圖

該實(shí)測飛行區(qū)域使用大疆精靈4 RTK小型四旋翼無人機(jī)，該設(shè)備的主要參數(shù)如表1所示。

表1 飛行設(shè)備的主要參數(shù)

3.2 飛行實(shí)施設(shè)計(jì)與航線敷設(shè)

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[6]的相關(guān)要求，在保證各個(gè)方面安全的前提下，在無人機(jī)進(jìn)行攝影測量時(shí)，無人機(jī)的飛行高程、拍攝照片的重疊度都要提前設(shè)定好，來滿足無人機(jī)的安全飛行和任務(wù)的要求，首先需要通過實(shí)測區(qū)域的地形圖的比例尺和地面的分辨率（GS D）之間的關(guān)系，來算出G SD的取值范圍；然后再根據(jù)無人機(jī)相機(jī)的參數(shù)情況、GS D和飛行高度（H）的關(guān)系[7]如下：

式中：f為相機(jī)主距，mm；a為像元尺寸，mm。

根據(jù)以上的公式可以算出無人機(jī)飛行的高度范圍。為了飛行的安全和飛行規(guī)定，確定可允許飛行的最大高度，確保不能飛行高度高于最高點(diǎn)，保證無人機(jī)任務(wù)的安全性。

無人機(jī)飛行航跡采用飛控軟件進(jìn)行設(shè)置，飛行設(shè)備按照規(guī)劃好的路線進(jìn)行攝影測量，飛行高度設(shè)定為110 m，保證安全和能夠高于最高建筑物50 m左右，航向重疊度設(shè)置和旁向重疊度都為75%。進(jìn)行飛行拍照時(shí)選擇間隔時(shí)間為2 s，邊距值設(shè)置為0 m，無人機(jī)飛行速度設(shè)置為8 m/s，分辨率達(dá)到5 cm。

3.3 實(shí)測區(qū)域像控點(diǎn)的布設(shè)方案分析

根據(jù)實(shí)際的測量區(qū)域的地理形勢，實(shí)測區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)規(guī)則的四邊形，此次研究探討像控點(diǎn)的布設(shè)位置及數(shù)量與空三測量后實(shí)景三維圖的精度的關(guān)系，確定了4種不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行分析。

方案1：在實(shí)測區(qū)域的4個(gè)邊緣拐角進(jìn)行布設(shè)平高控制點(diǎn)，共布設(shè)4個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

圖3 方案1像控點(diǎn)布設(shè)

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，在實(shí)測區(qū)域中心位置布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn)，共5個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

圖4 方案2像控點(diǎn)布設(shè)

方案3：在方案2的基礎(chǔ)上，在實(shí)測區(qū)域的每個(gè)邊緣上在均勻增加平高控制點(diǎn)的布設(shè)，共9個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)如圖5所示。

圖5 方案3像控點(diǎn)布設(shè)

方案4：在方案3的基礎(chǔ)上，在實(shí)測區(qū)域內(nèi)再均勻增加少量平高控制點(diǎn)的布設(shè)，共布設(shè)15像控點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)如圖6所示。

圖6 方案4像控點(diǎn)布設(shè)

本任務(wù)利用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)，在實(shí)測區(qū)域中布設(shè)了15個(gè)像控平高控制點(diǎn)，在采集后的影響照片數(shù)據(jù)后，將所采集到的像控?cái)?shù)據(jù)全部導(dǎo)入Smart3D軟件進(jìn)行實(shí)景的三維建模工作。

在完成了實(shí)景三維建模的工作后，對4種不同像控點(diǎn)的布設(shè)方案建模得到的三維模型進(jìn)行精度的比較，然后再測區(qū)內(nèi)利用GNSS RTK去實(shí)際測量檢查點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值為真實(shí)值，在實(shí)測區(qū)域中共選擇了10個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行分析。在三維模型中得到與之相對應(yīng)的檢查點(diǎn)的坐標(biāo)為測算值，利用檢查點(diǎn)的真實(shí)值和測算值計(jì)算出各點(diǎn)的平面中誤差值和高程中誤差值，然后比較4種像控點(diǎn)布設(shè)方案的精度。中誤差值的計(jì)算公式如下：

式中：m為各個(gè)方向中誤差值；Δ為各個(gè)方向真誤差值；n為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

平面中誤差值可以根據(jù)計(jì)算得出的X和Y方向的中誤差值進(jìn)行計(jì)算得出，計(jì)算的公式如下：

在實(shí)測區(qū)域內(nèi)使用區(qū)域網(wǎng)的像控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行航測空中三角測量和平差解算。空三測量精度的標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)像控點(diǎn)投影誤差的平均方根值（RMS）。空三測量精度的計(jì)算公式如下：

式中：σr為像控點(diǎn)的平均方根值（RMS）；x′和y′為使用平差計(jì)算后的像控點(diǎn)投影到原始攝影像片的坐標(biāo)值；x和y為最初的原始像控點(diǎn)的觀測值的坐標(biāo)；n為像控點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

無人機(jī)低空攝影測量的精度主要根據(jù)空三測量的精度與生成的三維模型的精度比較分析[8-9]。主要利用4種不同像控點(diǎn)布設(shè)的方案，經(jīng)過空三解算后，對空三解算的結(jié)果進(jìn)行像控點(diǎn)不同布設(shè)方案與精度之間的關(guān)系。

在實(shí)測過程中，外業(yè)的實(shí)施過程中，選擇的像控平高點(diǎn)共15個(gè)。選擇的所有像控點(diǎn)都成功在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了準(zhǔn)確刺點(diǎn)，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理加工，最后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表2所示，列出了關(guān)于像控點(diǎn)數(shù)量和位置與空三測量關(guān)系的精度分析情況，由表可知，在滿足實(shí)際測量要求的情況下，方案2在方案1的情況下，在測量區(qū)域中心位置多布設(shè)了一個(gè)像控點(diǎn)，方案2的空三精度和模型成果測量精度都得到了改善和提高，方案3是在方案2的基礎(chǔ)上在每條邊緣線上均勻地多布設(shè)了像控點(diǎn)數(shù)量，空三測量精度也有小幅度的提高，方案4也是在方案3的基礎(chǔ)上在實(shí)測區(qū)域內(nèi)部均勻增加了像控點(diǎn)的布設(shè)，從方案3的主要位置的9個(gè)像控點(diǎn)增加到了15個(gè)像控點(diǎn)的數(shù)量，但是整個(gè)的測量精度并沒有成比例的增加，測量精度相比方案3的提高不是很大，整體可以看出在方案4的情況下，像控點(diǎn)數(shù)有所增加，但整體模型精度變化比較穩(wěn)定[10]。

表2 空三測量精度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

通過本任務(wù)的實(shí)施，選擇了4種不同像控點(diǎn)數(shù)量和位置的布設(shè)方案，通過最后的空三測算后，對不同像控點(diǎn)布設(shè)的方案空三精度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)像控點(diǎn)的數(shù)量和位置的選擇對空三測量的精度存在一定關(guān)系，在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，選擇方案4的像控點(diǎn)布設(shè)方案精度是比較高的，但是相比方案3而言，精度的提升并不是很大，所以根據(jù)實(shí)際情況和本次研究分析可得，對于像控點(diǎn)的選擇最好選擇第4種方案，但是對于實(shí)測區(qū)域內(nèi)的像控點(diǎn)均勻選擇的數(shù)量不宜過多，雖然在一定程度上能提高隨后的測算精度，但是相比浪費(fèi)的人力和物力來說并不是很實(shí)用，所以根據(jù)實(shí)際的精度要求，在保證滿足實(shí)際精度要求的前提下，選擇合適的像控點(diǎn)的布設(shè)方案很重要，并不是像控點(diǎn)越多越好，合理選擇像控的布設(shè)極大程度地解決了人員的浪費(fèi)，對實(shí)際的生產(chǎn)和資源利用方面具有很高參考價(jià)值。