無人機傾斜攝影測量像控點布設方案優化研究

呂樹春

（自然資源部第二大地測量隊（黑龍江第一測繪工程院），黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

消費級無人機的普及應用大大降低了設備成本，同時也為低成本高效率的大范圍地物測繪提供了可能。相較于專業級無人機設備，消費級無人機不僅自身設備成本相對較低，且具有方便攜帶、操作簡單、機動性較強等優勢［1］，通過搭載高分辨率相機進行傾斜攝影測量，能夠實現高分辨率地物影像的快速獲取，彌補了傳統航空攝影測量方式僅能夠從單一角度獲取地物信息的弊端，在保障測繪成果質量的同時降低了航攝作業測繪成本，提高了測圖效率。

消費級無人機可以搭載單鏡頭和多鏡頭進行航攝作業［2］，為追求持續續航作業，目前普遍采用單鏡頭作業方式，航攝效率較高，但單鏡頭作業方式對于地物信息的全方位影像獲取存在一定的局限性［3］，航攝影像及實景三維模型成果較難滿足生產使用要求。因此，本文重點針對消費級無人機搭載多鏡頭作業方式進行分析研究，通過在大疆精靈4無人機上搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機進行航攝作業，對像控點數量及影像傾向對空中三角測量精度的影響以及不同像控點布設方式進行分析，探索不同應用條件下的像控點最佳布設方式，進一步改善消費級無人機在數字化城市建設中應用方式，提高數字城市三維實景模型成果精度。

1 研究區數據獲取

本次研究選用某學校場地進行試驗測試，校區總面積約為0.44 km2，教學樓等建筑分布較為密集，多為6 層左右的低矮建筑，但存在體育館、天文臺等形狀不規則的建筑類型，同時校區內還存在人工湖、低矮小山丘、綠化用地以及硬化路面等，地物類型相對較為豐富，具有較強的典型性，能夠最大程度模擬城市真實環境。

本次研究采用大疆公司推出的大疆精靈4 多旋翼航拍消費級無人機，整體操控性能較為優良，機身輕便靈活，續航能力強，且采購費用相對較低，適合小范圍區域內的航攝作業［4］。無人機上搭載的傾斜攝影鏡頭為KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機，該相機是為大疆精靈4 定制研發的新型傾斜攝影系統，重量相對較小，像素較高，能夠實現高分辨率地物影像的全方位快速采集［5］。無人機詳細參數如表1所示，相機參數如表2 所示。

表1 大疆精靈4 消費級無人機參數

表2 KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機參數

由于消費級無人機續航能力有限，為確保無人機在完成航攝作業的同時能夠順利返航，需依據測區大小進行分區作業。本次研究將研究區劃分為4個區域，航攝作業相對航高為200 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，共計獲得了780 張下視航攝影像，2945 張傾斜影像。以傾斜攝影垂直和傾斜傾向的外方位元素為依據，采用并行算法對航攝影像進行多視影像精準匹配，構建密集點云數據，獲取航攝影像中的同名點三維坐標，進而生成數字地表模型。

2 空中三角測量精度評價

空中三角測量是無人機傾斜攝影測量的核心環節，其成果精度會對傾斜攝影測量成果質量產生較大影響，能夠在一定程度上反映傾斜攝影測量成果質量。本次研究采用搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機的大疆精靈4 無人機獲取試驗區范圍內下視影像和不同方向的傾斜影像，通過改變像控點數量的形式對傾斜影像、下視影像以及多視影像的空三精度進行分析研究，分別統計布設不同數量像控點的情況下，傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差，計算式如式（1）所示：

式中：ms為航攝影像平面中誤差；mh為航攝影像高程中誤差；mx為x方向的坐標中誤差；my為y方向的坐標中誤差。

本次研究在該校區試驗場地內，按照相同航線、相同航攝參數進行外業航攝作業，逐漸增加像控點數量，然后統計傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差，統計結果如圖1 所示。

圖1 不同影像空三成果精度對比

圖2 傳統攝影測量像控點布設方案

由圖1 可知：隨著像控點數量的不斷增加，傾斜影像、下視影像以及多視影像空三解算成果的平面及高程中誤差均呈現下降趨勢，即多種影像空三解算成果平面和高程精度均有所提高；當像控點數量較少時，航攝影像精度相對較差，不斷增加像控點數量，中誤差大幅度降低，其中傾斜影像下降幅度最大，多視影像下降幅度最小；當像控點數量達到15 個之后，中誤差開始逐漸趨于平穩，持續增加像控點數量航攝影像精度也無法得到有效提升。因此表明在本次航攝作業過程中，為追求航攝影像精度和外業測量工作量的最優組合，應將像控點數量保持在15 個左右。

對相同數量像控點條件下傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差進行分析可得，無論布設多少個像控點，傾斜影像空三解算成果平面和高程中誤差均高于下視影像和多視影像，且多視影像中誤差最低；當像控點數量為4 個時，3 種影像空三解算成果平面和高程中誤差均達到最大值，其中，傾斜影像空三解算成果平面中誤差為0.146 2 m，高程中誤差為0.064 5 m；下視影像空三解算成果平面中誤差為0.093 3 m，高程中誤差為0.026 4 m；多視影像空三解算成果平面中誤差為0.075 0 m，高程中誤差為0.007 8 m。這些均能滿足《工程攝影測量規范》中對于空三加密成果的精度要求，但傾斜影像空三解算成果精度較差，多視影像空三解算成果精度最優，分析原因為像片傾斜時容易引發像點位移，從而使得影像成果誤差變大。

綜上所述，采用五鏡頭相機進行航攝作業，合理布設像控點數量，獲取多視影像數據，能夠大大降低野外數據采集和內業數據處理工作量，同時可以保障最優航攝影像精度。但由于研究區面積僅為0.44 km2，面積較小，地表建筑和地物類型種類有限，地形起伏相對較小，存在一定的局限性，有待后續采用復雜城市環境進行進一步論證。

3 傾斜攝影測量像控點優化設計

3.1 傳統像控點布設方案

傳統攝影測量航攝作業多采用如圖3 所示的幾種像控點布設方案，盡可能使得像控點能夠覆蓋整個測區［6］。但由于不同航攝測區特點不同，傳統像控點布設方案往往較難實施，且航攝成果精度相對較差，難以滿足生產使用需求。在傾斜攝影數據采集過程中，一般將航攝重疊度設置為80%，旁向重疊度控制在70%～80% 之間［7］，采用圖3 中的像控點布設形式容易造成測區中間區域航攝影像較為密集，而四周區域航攝影像較為稀疏，從而使得測區四周邊緣區域精度相對較差［8］。因此，為提高航攝作業成果精度，同時最大程度減少像控點數量，降低野外數據采集工作強度，有必要對傾斜攝影測量像控點布設方法進行優化研究，尋求符合成果精度要求的最佳布控方案。

圖3 傾斜攝影測量像控點優化設計

3.2 優化像控點布設方案

為使研究結果更加貼合城市復雜地物類型及特殊地形環境，本次試驗選擇某山區城市進行像控點布設方案優化研究，相較于校園內地形情況，該山區城市研究區域地表起伏較大，測區面積為1.821 km2，地物類型復雜多樣，包含高層居民建筑、平房、人工湖、山區景點等多種地物類型，是城市復雜地形環境的縮影。考慮到消費級無人機在航攝作業過程中容易受到航向和旁向重疊度以及像片旋角等因素的影響［9］，依據其對測區的航攝影像覆蓋特征，本次研究共計設計6 種像控點布設方案，如圖4 所示，三角形標識為布設的像控點，圓形標識為檢核點，像控點和檢核點總數為63 個。

方案1：測區四角像控點單點布設方案，即在測區四個邊角分別布設1 個像控點，測區內均勻布設59 個檢核點；

方案2：測區四角像控點點組布設方案，即在測區四個邊角分別布設2 個像控點，測區內均勻布設55 個檢核點；

方案3：測區四邊像控點均勻布設方案，即在測區四周均勻布設12 個像控點，測區內均勻布設51個檢核點；

方案4：測區四角點組布控及測區周邊均勻布控聯合布設方案，即在測區四個邊角分別布設2 個像控點，同時在測區四周均勻布設8 個像控點，共計16 個像控點，測區內均勻布設47 個檢核點；

方案5：測區區域網內像控點均勻布設方案，即在測區范圍內均勻布設像控點，邊角位置不考慮加密或單獨布設，共計布設15 個像控點，測區內均勻布設48 個檢核點；

方案6：測區四角像控點點組布控及測區區域網像控點均勻布控聯合布設方案，即在測區四個邊角分別布設2 個像控點，同時在測區區域網均勻布設11 個像控點，共計19 個像控點，測區內均勻布設44 個檢核點。

3.3 空三精度分析

對以上6 種像控點布設方案的空三解算成果進行精度評定，分別計算各個像控點布設方案的空三成果平面和高程中誤差，統計結果如表3 所示。

表3 方案1—方案6 空三解算成果精度對比單位：m

對表3 進行分析可知：

1）方案5 空三解算成果平面中誤差最小，為0.043 7 m，方案6 空三解算成果高程中誤差最小，為0.010 1 m；方案5 和方案6 均涉及在測區區域網均勻布設大量像控點，空三解算成果精度相對較高，但同樣外業測量工作量較大；當對無人機傾斜攝影測量成果有較高要求時，可采用方案5 或方案6 進行像控點布設，最大程度保障成果精度。

2）方案1 為測區四角單點布設像控點，空三解算成果相對較低，但滿足規范中空三解算精度要求；方案2 是在方案1 的基礎上進行優化，在測區四角采用點組的形式布設像控點，空三解算精度有所提升，但仍舊低于測區區域網均勻布設像控點空三精度；但方案1 和方案2 布設的像控點數量相對較少，外業測量作業工作量較小，當對測繪成果精度要求不高時，可采用該方案快速作業。

3）方案3 像控點數量相對較為適中，適用于在測區內部無法布設像控點的項目，如，搶險救災地形測繪等；若要盡可能保障傾斜攝影測繪精度，可利用四角點組和測區周邊聯合布控方式，增加像控點布設數量，提高成果精度。

綜上所述，以上6 種像控點布設方案空三解算成果均能滿足《工程攝影測量規范》要求，在實際作業過程中，依據測區像控點布設難度及對測繪成果精度的實際要求，合理選擇像控點布設方式，因地制宜，提高作業效率。

4 結語

本次研究通過采用大疆精靈4 消費級無人機搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機進行航攝作業，對傾斜影像、下視影像以及多視影像空三精度進行分析研究，驗證了同等數量像控點條件下多視影像的空三成果精度最佳；并以增強測區邊角控制權重為目的，以大面積復雜地物類型城市區域為試驗對象，設計6 種像控點布設方案對傳統布點方法進行優化研究，對比分析不同方案的空三解算成果精度及像控點布設特點，發現在相同測區面積、相同地物類型條件下，測區區域網均勻布設像控點空三解算成果精度相對較高，但像控點數量較多，大大增加了外業測繪工作量；四角布設像控點成果精度雖然較低，但滿足規范精度要求，適用于測區影像覆蓋率相對較高，測區內部不易進入、難以布點的航攝項目。