像控點布設對無人機傾斜攝影測量精度的影響

孫瑤 吳定邦 楊智翔 黎廣

摘要：無人機傾斜攝影測量成果精度取決于空三精度，地面像控點的分布和數量對空三精度起決定性作用，且條帶狀區域不同于塊狀區域，像控點布設具有一定局限性。通過對比5種像控點布設方案，得出適合于條帶狀區域的無人機傾斜攝影測量像控點最優布設方案：在保證像控點旁向間距的前提下，最優的航向間距設置為1 km，即可實現在保證成果精度的前提下，減少內外業工作量，提升生產效率。

關鍵詞：無人機傾斜攝影測量； 三維建模； 條帶狀區域； 像控點布設； 精度分析

中圖法分類號： P231

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.022

0引 言

區別于無人機垂直攝影測量，無人機傾斜攝影測量從多角度對地面信息進行采集，可得到更為全備的地面信息，逐漸成為快速獲取三維場景的重要手段。目前，行業內無人機傾斜相機以5鏡頭居多，意味著傾斜相機的每次曝光都將產生5倍于傳統相機的數據量，且5張影像的姿態各異。相較于傳統攝影測量，傾斜攝影測量的影像處理過程更為繁瑣，同時也增加了一定的不確定性［1-2］。

影響無人機傾斜三維模型成果精度的因素有多種，其中像控點的布設方案對精度影響最為重大。針對像控點布設對無人機攝影測量精度影響的研究，目前以分析無人機垂直攝影測量為主，朱進等研究了控制點布設對無人機影像空三精度的影響，提出一種最佳布點方案：四周均勻布設平高點、四角布設成點組，加少量內部控制點，在保證精度的前提下，地面像控點數量最少［3］。王同行等研究了地面控制點布設對海岸帶無人機遙感影像的精度影響，驗證了采用多排均勻布設控制點方法能有效提高遙感圖精度，拼接成圖質量最優［4］。周旺輝等分析了控制點布設對低空小型無人機高分影像精度的影響，得到最優的布點方案：測區四周均勻布設控制點，少量內部控制，相較于傳統的航攝布點方式，該方式精度高、數量少［5］。王朝輝等對無人機傾斜攝影測量中的像控布點方案進行研究分析，提出在規則的塊狀區域中，五點像控法能基本滿足其1∶1 000精度的要求，九點像控法能基本滿足1∶500精度的要求［6］。上述所提及的研究均驗證了一個結論：無人機航攝影像后處理流程中，空三精度最弱點位于航攝區域外圍，航攝區域內部精度高而且均勻，四周需要采用控制點進行約束才能保證成果精度。以上研究均具有局限性，主要表現在以下3點［7-10］：

① 研究對象大多為塊狀區域，缺少對諸如河流、道路以及管道等條帶狀區域的精度分析；

② 選擇測區的面積較小，包含的地物信息有限，代表性不夠強；

③ 側重于對無人機垂直攝影測量進行精度分析，在像控點布設對無人機傾斜攝影測量的精度影響研究較少，尤其是針對條帶狀區域的無人機傾斜攝影測量精度影響研究更少。

基于此，本文通過對無人機傾斜攝影測量的技術原理進行分析，結合條帶狀區域的特點，分析像控點的分布和密度對空三及模型精度的影響。由于條帶狀區域的限制，本文主要側重于分析不同密度下的像控點布設對成果精度的影響，從而得出適合于實際生產的布點原則，在保證成果精度的前提下，盡可能地減少內外業工作量，對于提升生產效率具有一定參考意義。

1試驗區數據獲取

1.1試驗區及航攝設備情況

試驗區為一段城市快速路，位于廣東省深圳市龍崗區內，屬于深圳市南坪快速路第3期建設工程，西起水官高速公路橫坪立交，東至銅鑼徑水庫東側隧洞（圖1）。

測區面積約為1.42 km2，測區內主要分布有工業園區、低矮山地及住宅樓，測區屬于丘陵地區。本文航攝數據獲取采用的航攝系統為飛馬D2000型四旋翼無人機搭載D-OP3000五鏡頭傾斜相機。設備主要參數見表1～2。

1.2航攝技術設計及航線規劃

D2000型無人機具備變高飛行功能，要實現無人機精準的變高飛行需要基于準確的DSM進行航線規劃，由于飛馬無人機航線規劃軟件并不支持高精度的DSM數據，兼容性最好的DSM分辨率為10 m，致使用于規劃航線的DSM數據不能將影響航飛安全的高層樓房及高壓線塔等較為突兀的地物有效完整地表現出來，這將會給飛行安全造成極大隱患。

基于此，為了保證安全飛行，本次航攝任務分為兩個區塊進行航攝數據采集。

（1） 對于存在高住宅樓地區，樓高在100～120 m不等，采用相對航高150 m的常規航線，對應地面分辨率為2.3 cm。

（2） 在工業園及低矮山地區域采用變高飛行模式，在任務航線規劃之前，采用大疆精靈四RTK無人機采集試驗區及外擴一定區域的影像，通過處理軟件生成試驗區分辨率為10 m的DSM數據，將DSM數據導入航線規劃軟件中，生成變高航線，變高航線的相對航高設置為125 m，對應地面分辨率為2 cm。

航線按照平行于線路方向布設，為東西向布設，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，航飛速度設置為10 m/s，當相機曝光時間為1/1 200 s時，造成的像移為0.83 cm，當相機曝光時間為1/1 000 s時，造成的像移為1 cm。

為保障影像質量，像移量需要小于0.5個像素。由此可知，當飛行速度為10 m/s時，相機曝光時間不得大于1/1 000 s。

1.3像控點布設方案

按照最新版規范中像控點布設要求，其中帶有GNSS/IMU輔助航攝區域網的布點方案如表3所列。

結合本次航攝的設計參數，通過計算可知，規范中要求的航向相鄰控制點最大間距為192 m，旁向相鄰控制點的最大間距為180 m。本次試驗嚴格按照規范要求布設像控點，試驗的條帶狀測區較為平直，在垂直于線路走向上靠近測區邊緣成對布設像控點，并依次遞增平行于線路方向上像控點的間距，遠離線路中線的突出部則按照規范要求加密控制點，以探索出在保持成果精度不變的情況下，像控點在平行于線路方向上的最佳布設間距。

測區位于城區，道路眾多，大多數道路上均涂有交通標識線，絕大部分像控點采用地面上已有的交通標識線角點。角點明顯易于內業判刺、穩定不易破壞、點位周邊高程變化較小，少部分采用地面噴涂標識點位。

像控點及檢查點測量采用網絡RTK方式，參照工程測量標準中的圖根點精度要求施測，試驗區共計布設82個像控點，8個檢查點。82個像控點沿線均勻布設，8個圖根檢查點均勻分布在測區中。

本次試驗在保持旁向相鄰控制點的間距滿足規范要求的前提下，以航向相鄰控制點為變量，分別設置了190，500，1 000，1 500，2 000 m間距，如圖2所示。

方案一：像控點航向間距為170～190 m，旁向間距為160～180 m，共布設像控點合計82個；

方案二：像控點航向間距為480～520 m，旁向間距為160～180 m，共布設像控點合計30個；

方案三：像控點航向間距為980～1 020 m，旁向間距為160～180 m，共布設像控點合計17個；

方案四：像控點航向間距為1 480～1 520 m，旁向間距為160～180 m，共布設像控點合計10個；

方案五：像控點航向間距為1 980～2 020 m，旁向間距為160～180 m，共布設像控點合計8個。

2內業數據處理

該試驗區一共飛行3個架次，恒定高度一個架次，變高飛行兩個架次，共采集影像31 250張，影像整體質量良好。

采用ContextCapture Center軟件系統進行傾斜三維模型構建。ContextCapture Center軟件系統對于大范圍的傾斜三維模型構建有著很強的適應性，其建模流程為：將影像數據、POS數據、像控點數據進行整理匯總，導入ContextCapture Center軟件中；經多視影像匹配對每張影像提取相當數量的連接點，并以此進行區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，建立空間尺度上可適度自由變形的立體模型，完成相對定向；以影像POS數據和像控點作為初始輸入值，通過迭代計算后得到精準的影像內外方位元素及相機的畸變參數，完成絕對定向；通過獲得的畸變參數對影像去畸變處理后，基于去畸變的影像由密集匹配算法形成密集點云，利用密集點云進行構網，經平滑和簡化等處理，即生成數字表面模型，也稱白膜，最后將紋理映射到白膜上，實現測區實景三維模型的構建。

3精度分析

無人機傾斜攝影測量的精度評定主要包含空三精度及模型成果精度兩塊內容。運用前述像控點布設方案對區域網進行約束，空三平差解算后，以未參與平差的像控點和檢查點進行殘差及中誤差統計，對空三平差解算成果進行精度評定。在模型生產完成后，利用未參與平差的像控點和檢查點對生產的實景三維模型成果進行檢查和誤差統計，進行模型成果精度評定［6］。

本次試驗的空三平差精度及模型成果精度兩項指標統計如表4所列。

模型精度統計如圖3所示，對比表4和圖3，可以發現：

（1） 隨著像控點密度的降低，空三及模型精度都出現不同程度的下滑，平面精度下滑的程度較為輕微，而高程精度受像控點密集程度的影響較大。

（2） 當像控點的航向間距在1 km之內時，隨著像控點密度的增加，平面及高程精度均較為穩定，并無明顯變化，且可以達到1∶500的測圖精度要求；當像控點航向間距超過1 km時，隨著間距的增加，平面精度維持在一定范圍內，高程誤差則成倍數增加。

（3） 表中模型最大殘差所處的位置均位于遠離線路中線的突出部。當在突出部按照規范布設像控點時，突出部的精度可以得到有效提升。

4結 語

本文探索了適合于條帶狀區域無人機傾斜攝影測量的布點方案，控制像控點旁向間距，通過對比5種不同像控點航向間距的布點方案，得出在保持精度的前提下，布設像控點的最優間距為1 km。過多的像控點不但大大增加外業和內業的工作量，而且對于模型精度的提高并無明顯作用，性價比不高。

在實踐中，還發現對于條帶狀區域的突出部，需要增加像控點進行精度控制，才能保證遠離線路中線突出部的精度與線路中線附近的精度相近。下一步工作方向為：對比分析常規航線和變高航線兩種不同的影像采集方式對后期成果精度的差異性影響。

參考文獻：

［1］楊榮幫，畢洪基.低空無人機航攝控制點布設及影像精度分析［J］.北京測繪，2018，32（4）：399-404.

［2］劉宇碩，秦翔，郭萬欽，等.控制點布設對冰川區無人機攝影測量精度的影響［J］.遙感學報，2020，24（2）：161-172.

［3］朱進，丁亞洲，陳攀杰，等.控制點布設對無人機影像空三精度的影響［J］.測繪科學，2016，41（5）：116-120.

［4］王同行，王衍，張金華，等.地面控制點布設對海岸帶無人機遙感影像的精度影響分析［J］.測繪與空間地理信息，2016，39（7）：97-100.

［5］周旺輝，蔡東健，甄宗坤.控制點布設對低空小型無人機高分影像精度的影響［J］.測繪通報，2017（增1）：69-74.

［6］王朝輝，吳昊，孟將.無人機傾斜攝影像控布點方案研究及精度分析［J］.測繪通報，2021（5）：102-105，110.

［7］王志崗，江超，楊生春，等.無人機低空攝影測量技術在植被綠化監測中的應用：以卡洛特水電站為例［J］.人民長江，2020，51（增2）：393-396.

［8］魏猛，楊柳，張亭.水陸一體化河道三維模型構建方法研究與應用［J］.人民長江，2023，54（增1）：68-71.

［9］王英，肖中星，錢恒湘，等.基于傾斜攝影三維模型的內業成圖方法研究［J］.人民長江，2020，51（增2）：91-93.

［10］沙紅良，陸德中，付康，等.融合無人機LiDAR與攝影測量的河道地形測繪方法［J］.人民長江，2023，54（4）：157-162.

（編輯：劉 媛）