無人機航攝像控點布設方法探討

買小爭，楊 波，馮曉敏

(國家測繪局第四航測遙感院，海南海口570203)

一、引 言

無人機航測作為一種新型的低空遙感影像獲取技術，是衛星遙感和航空攝影的有力補充。無人機具有機動靈活、經濟高效、精細準確等特點，能夠快速獲取小范圍區域和航攝困難地區的高分辨率影像，并生產出該區域的數字正射影像圖，在國民經濟建設中發揮了重要的作用。

像控點布設是無人機正射影像制作的重要環節，也是外業過程中成本投入比較大的一個部分。利用無人機航測技術裝備，獲取試驗區域1∶1000和1∶2000航片數據，以1∶2000航片數據作為詳細研究對象，采用不同像控點布設方法制作出不同精度的正射影像成果。然后在1∶2000試驗成果的基礎上，選取合適的布設方法對1∶1000數據進行試驗。最終總結出制作1∶1000和1∶2000數字正射影像圖(DOM)較合理的像控點布設方法，從而提高利用無人機制作正射影像的整體工作效率。

二、試驗數據準備

1．試驗區域及航攝資料

經過對航攝資料的詳細分析，選定海口市新坡測區0．15m無人機航攝影像數據作為1∶2000 DOM制作試驗數據，試驗區域包括3條航線，75張高分辨率影像，面積5 km2。選定海口市西海岸測區0．1m無人機航攝影像數據作為1∶1000 DOM制作試驗數據，試驗區域包括9條航線，513張高分辨率影像，面積8 km2。

2．像控資料及布設情況

外業控制成果包括：像控刺點片、實地照片、像控成果信息表。外業像控采取區域網布設方案。此次區域網具體布點方案是：在區域網范圍內逐航帶、逐航片布設像控點。后期通過不斷增加基線數，即不斷減少控制點的數量得出不同布設方法對DOM成果精度的影響。同時，在試驗區域還均勻布設一定數量的外業檢查點用于DOM成果的精度檢測。

三、試驗區像控點布設方法

外業按逐航帶、逐航片布設了密集的像控點，由于無人機載荷相機的像幅小，航攝相片多，重疊度大，試驗采用在區域網首端和末端垂直于航線方向且隔一條航線上分別布設一排平高點，每條航線按照相鄰平高控制點間隔基線數分別為2條、4條、6條、8條、10條、12條布設。即試驗采用隔航帶、隔基線6種像控點的布設方法。

四、后期數據處理

1．數據預處理

(1)影像畸變差改正

此次試驗采用INPHO作為后處理軟件。由于獲取的影像數據邊緣存在畸變，所以首先根據相機檢校參數對影像進行畸變差改正，這是目前所有軟件在進行后處理之前必須要做的。

(2)工程建立及影像列表整理

利用畸變糾正過的影像在INPHO中建立金字塔影像，然后根據相機參數文件建立工程，軟件會根據原始POS數據建立航帶影像縮略圖，對影像進行航帶排列，人工判斷航帶建立是否正確，不正確需要重新設置相機或影像的排列順序，直至航帶排列正確。

2．空中三角測量

(1)區域網平差及加密點選取

目前軟件的自動化程度較高，軟件根據建立好的航帶圖，像點殘差的限值以及控制點的權值，完成區域網平差，人工干預相對較少。軟件根據預先設置好的限差會將超限的匹配點刪除。對于水域里面的點需要人工檢查或刪除，并且注意航帶間有無連接點，這對后期正射影像航帶間是否錯位有很大影響。

(2)像控點刺點及控制點平差

外業提供的所有像控點均參加加密量測，并參與加密平差或檢核。在立體環境下進行控制點刺點，確保每個像控點正確、無誤。

3．正射影像制作

(1)數字高程模型提取及編輯

利用滿足精度要求的空三成果，進入軟件數字高程模型(DEM)提取模塊。設置DEM提取格網間距，完成DEM生成工作。只有準確的DEM才能保證正射影像圖的糾正精度，由于影像自動匹配的局限性，DEM編輯需要少量的人工干預，以提高數字高程模型的精度。在編輯時多注意特征點、線、面的編輯，注意城區居民地以及立交橋和橋梁的編輯。

(2)正射影像糾正及影像的鑲嵌拼接和

勻光勻色

利用生成的DEM在正射影像糾正模塊中生成單張正射影像，在影像拼接模塊，加載單張正射影像進行正射影像拼接，軟件根據設置好的參數完成正射影像勻光勻色和拼接，對影像錯位的地方可以通過調整鑲嵌線進行修復。

(3)DOM成果檢查

首先，對于不同布設方案生成的DOM成果均進行檢查，沒有變形、扭曲的情況，尤其是房屋、道路、橋梁。經過勻光勻色，整個區域影像色彩過度自然、影像清晰、反差適中、層次分明、紋理信息豐富，避免圖像處理所留下的痕跡。其次，利用外業檢查點對不同布設方法生產的DOM成果進行精度檢查。隔航帶、隔8條基線布設像控點制作的DOM成果如圖1所示。

圖1 隔航帶、隔8條基線布設控制點制作DOM成果

五、試驗結果精度統計

1．1∶2000試驗結果精度統計

1)加密點中誤差結果見表1。

表1 加密點中誤差結果 m

結果顯示，隔航帶、隔2～12條(等差為2)基線布設控制點均滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量內業規范》(GB/T 7391—2008)(以下簡稱規范)中的內業加密點中誤差精度要求。

2)絕對定向后，基本定向點和多余控制點平均誤差見表2。

表2 基本定向點和多余控制點平均誤差 m

結果顯示：隔航帶、隔2～12條(等差為2)布設控制點，絕對定向后基本定向點和多余控制點的平面位置限差均滿足規范精度要求;從具體定向點和多余控制點單點誤差來看，隔航帶、隔2、4條基線布設控制點，絕對定向后基本定向點和多余控制點的高程限差均滿足規范精度要求;隔航帶、隔6～12條(等差為2)基線布設控制點，雖然總體高程平差精度滿足要求，但是檢查點精度整體降低，還出現個別檢查點的高程誤差超限情況。因為控制點數量的減少，導致了高程精度降低，其結果不滿足規范中絕對定向后高程限差要求。

3)正射影像精度檢測：利用不同像控點布設方法得到的空三結果，生產出對應的數字正射影像成果。利用野外均勻分布的檢查點對正射影像平面精度進行檢測，其檢測結果見表3。

表3 正射影像精度檢測表 m

經過對正射影像的平面精度進行檢測，隔航帶、隔2～8條(等差為2)基線布設控制點所制作的正射影像無論從檢查點的單點誤差還是平均誤差均能滿足規范精度要求。隔航帶、隔10～12條(等差為2)基線布設控制點所制作的正射影像存在較多檢查點誤差超限的情況，說明這兩種像控點布設方法會導致正射影像局部平面誤差超限。

2．1∶1000試驗結果精度統計

從以上試驗來看，生產1∶2000正射影像成果隔航帶、隔8條基線布設控制點最為合理。在此試驗成果的基礎上，采用隔航帶、隔6條基線布設控制點生產1∶1000正射影像，并對其成果精度進行檢測。

1) 加密點中誤差mX= ±0．028m，mY= ±0．026m，mZ= ±0．060 m，其中最大殘差 Xmax=0．180 m，Ymax=0．250 m，Zmax=0．359 m，其結果滿足規范中內業加密點的精度要求。

2)絕對定向后，基本定向點殘差ΔX=0．157 m，ΔY=0．133m，ΔZ=0．108m，多余控制點殘差ΔX=0．270 m，ΔY=0．250 m，ΔZ=0．190 m，其結果滿足規范中絕對定向后平面位置和高程限差要求。

3)利用外業檢查點對該像控點布設方法生產的正射影像進行平面精度檢測，影像坐標量測平均誤差為0．472 6 m，滿足規范的精度要求。平面平均誤差已經接近規范的限差要求，其中也出現許多檢查點誤差接近限差的情況，如果再增大基線數會導致影像整體平面誤差超限。采用此方法布設控制點滿足1∶1000正射影像制作的精度要求，同時也是最為合理的布設方法。

六、試驗結果比較分析

制作1∶2000正射影像圖，通過對像控點不同布設方法的精度統計，可以看出：

1)前3種方案即隔航帶、隔2、4、6條基線布設像控點，其平面平均中誤差分別為 ±0．314 5 m、±0．298 0 m、±0．307 7 m，完全滿足規范≤1．2 m的精度要求，并且每個檢查點的單點中誤差也都符合規范要求。可以看出由于控制點比較密集，得出的正射影像精度差別不大。此3種像控點布設方案完全可以滿足規范精度要求，但是外業工作量比較大。

2)隔航帶、隔8條基線布設像控點，其平面平均中誤差為±0．697 1 m，滿足規范≤1．2 m的精度要求。每個檢查點的單點中誤差也符合規范要求。但與前3種方案相比，在控制點減少的情況下，雖然檢查點的單點中誤差增大，整體精度出現明顯下降，但是此種方法在滿足規范精度要求前提下，同時也大大減少了外業工作量。

3)隔航帶、隔10條基線布設像控點，其平面平均中誤差為±0．779 1 m，沒有超出規范的限差要求，但其檢查點單點平面中誤差有超限情況，超限差比例為8%，并且接近限差的檢查點比例為25%。說明在控制點減少的情況下，此種方案制作的正射影像整體精度出現下降，局部范圍精度會超出規范限差要求。正射影像面積越大，對精度的影響也會增大。

4)隔航帶、隔12條基線布設像控點，其平面平均中誤差為±0．968 0 m，雖然沒有超出規范限差要求，但是檢查點單點平面中誤差超限比例為33%，接近限差要求的檢查點比例為50%。所以，此種布設方法已經不宜采用。

制作1∶1000正射影像圖，通過對像控點布設方法的精度統計，可以看出：

隔航帶、隔6條基線布設像控點，其平面平均中誤差為±0．472 6 m，可以滿足規范≤0．6 m的精度要求。其中接近限差要求的檢查點比例為42%，說明此種布設方法制作正射影像整體精度已經接近規范的限差要求。所以，此種布設方法是最為合理的。

七、試驗結論和需要注意的問題

1．試驗結論

通過以上試驗結果，可以得出一些結論：

1)制作1∶2000數字正射影像，隔航帶、隔12條以內布設像控點都可以滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》(GB/T 7930—2008)的精度要求。但隨著測區的面積增大和有不規則的區域的存在，同時考慮無人機飛行姿態不穩定等因素。從內外業綜合考慮，采用隔航帶、隔8條基線布設像控點最為合理。

2)制作1∶1000數字正射影像，隔航帶、隔6條基線布設像控點滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量內業規范》的精度要求，同時也是最為合理的布設方法。

2．需要注意的問題

1)保證質量較好的數據源。無人機在航攝時盡量保持較好的飛行姿態，航攝時光線比較充足，以便獲取較好質量的原始航片。

2)為了保證整個測區的精度控制，飛行架次的首尾航帶，以及航帶的首尾航片最好布設像控點。

3)在不規則區域，如整個測區相對突出的地方，相應要增加布設像控點，保證整個測區的構網精度。

八、結束語

利用無人機航拍成果制作DOM時，不僅在航飛階段要嚴格遵循飛行設計，在像控點布設和后處理等環節中也都有著嚴格的要求。試驗采用固定翼無人機飛行平臺，單GPS定位，配備佳能5D MarkⅡ數碼相機，這些無人機配置在目前國內應用比較廣泛。通過對無人機航攝像控點布設方法的探討，總結出制作1∶1000和1∶2000數字正射影像圖較合理的像控點布設方法，大大減少了外業工作量和生產成本，有利于提高無人機制作數字正射影像的整體工作效率。

[1]崔紅霞，孫杰，林宗堅．無人機遙感設備的自動化控制系統[J]．測繪科學，2004，29(1)：47-49．

[2]崔紅霞，孫杰，林宗堅．大重疊度無人機遙感影像的三維建模方法研究[J]．測繪科學，2005，30(2)：36-38．

[3]王聰華．無人機飛行器低空遙感影像處理方法[D]．濟南：山東科技大學，2006：5-19．

[4]馬瑞升．微型無人機航空遙感系統及其影像幾何糾正研究[D]．濟南：南京農業大學，2004：2-35．