低空無人機攝影測量像控點布點方案的探討與研究

張煦

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450052）

低空無人機攝影測量像控點布點方案的探討與研究

張煦

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450052）

結合低空無人機在工程項目中的應用，對相同測區提供不同的像控點布設方案、通過不同的方案對空三精度產生的影響進行分析，得出可行的既滿足精度要求又節省外業工作量的像控點布設方法，供類似項目應用參考。

無人機；航空攝影測量；相控點布設；空三加密；精度

低空無人機航空攝影測量作為一門快速發展的低空影像獲取技術，是遙感和傳統航空攝影測的補充，具有快速高效，成本低等眾多優點，尤其適合快速獲取小范圍區域和地形地貌復雜地區的高分辨率影像，能夠快速生產出該區域需要的數字測繪產品，因而被廣泛應用于國民經濟建設的各個領域。在整個航測作業中，像控點布設是無人機航測任務的重要環節，也是外業過程中成本投入比較大的一個部分，是解析空三和數字測圖的基礎，像控點位置的選擇和大地坐標的測定，直接影響航測內業成圖精度。因此，本文結合實際無人機航測項目，對像控點布設方案進行探討和研究。

1 無人機航測的特點和選取的布點方案

1.1 無人機低空數字攝影測量的特點

①像幅小，影像數量多，使得內業和外業的工作量加大；②由于無人機體積小、重量輕，飛行姿態受外界因素影響較大，因此旋偏角和傾斜角都會很大；③同時航向和旁向重疊不規則，造成模型連接困難；④照片灰度不一致，造成影像匹配難度大、精度低［1-2］。

1.2 無人機航測的布點方案

①測區四角布設平高點；②測區四周均勻布設平高點；③測區區域內均勻布設平高點；④測區四周均勻布設平高點，內部少量布設平高點。

2 布點方案的實施實驗

2.1 實驗場地

信陽光山大蘇山森林公園，河南光山縣大蘇山攝區航攝面積約40km2，影像分辨率0.08m，成圖比例尺1∶1000。從地貌圖中可看出，河南光山縣攝區地形復雜，為淺山區，攝區內最高點和最低點相差約300m，該攝區按南北方向敷設航線，共劃分了七個區塊42條航線。為了試驗需求測區共布設像控點和檢查點91個，通過對選取不同的相控點進行空三加密［3］，對檢查點進行精度的對比分析，證明4種像控點布點方案的優劣，找出無人機航空攝影測量在滿足相應精度的要求下節省外業工作量的測量方法，選取區域和航線區塊劃分如圖1所示。

2.2 選用飛行設備和飛行技術參數

2.2.1 選用設備。選用設備為飛馬無人機F200。主要技術要求有以下幾點。①旋偏角一般不大于15°，最大不超過25°。②為確保成圖精度，應特別注重影像質量。影像清晰、反差適中、顏色飽和、色調一致。③航高差：同一航線上相鄰相片的航高差不得大于30m；最大航高與最小航高之差不得大于50m。當相對航高小于等于1 000m時，航攝分區內的實際航高與設計航高不應大于50m；當相對航高大于1 000m時，其實際航高與設計航高不應大于設計航高的5%。④航線彎曲度一般不大于1%；相片正視傾斜角一般不應大于4%。⑤正式攝影前要進行試飛，并將試飛的質量狀況填入航攝飛行記錄表中［4］。

圖1 航線區塊劃分圖

2.2.2 技術設計基本參數技術設計基本參數見表1。

表1 技術設計基本參數

2.3 像控點測量

考慮到項目實施計劃和成圖精度，該項目擬定采用實時動態GPS測量（RTK）技術方法，所有外業點均按照平高點進行施測。施測情況如圖2所示，施測時要求遵照下列技術設計要求［5］：①基準站的覆蓋半徑城區要求不大于10km，城市密集區以不超過7km，RTK基準站的點位精度等級不得低于I級導線點精度。②基準站要盡量架設在高處且易于架設和維護的地方。③基準站參數的計算要求選取覆蓋范圍內周邊和內部點，點數不得少于5個，且要分布均勻，轉換后各點的殘差分量應小于5cm。④RTK基準站網無輻射漏洞，且全網的輻射重疊度不得低于需控制范圍的20%。⑤RTK觀測的采樣間隔為1s，每次測量的歷元數不小于10個。單次觀測的平面收斂精度應≤2cm，兩次點位互差應≤5cm。⑥每次施測前要選取施測位置附近的已知點進行檢查，檢測高等控制點時，其點位互差應≤5cm，符合要求后方可進行像控點的測量。⑦設備采用南方系列RTK雙頻接收機。⑧像控點的觀測全部采用實時動態GPS技術進行觀測，每點觀測兩次取中數作為最后成果［6-8］。

圖2 施測現場

測區像控點及檢查點共布設91個，布點情況如圖3所示。

圖3 像控點布設

2.4 實驗選取的四個布點方案

方案1：采用只在測區四角布設平高點的布點方案，共15號、91號、19號、63號、85號、69號、53號、76號、81號、2號10個點。

方案2：采用測區四周均勻布設平高點的方法，共15號、11號、10號、81號、80號、77號、72號、53號、54號、69號、85號、64號、31號、86號、19號、91號16個點。

方案3：四周均勻布設，內部少量布設的方法，共5號、11號、10號、81號、80號、77號、72號、53號、54號、69號、85號、64號、31號、86號、19號、91號、16號、26號、4號、40號、43號、61號22個點。

方案4：測區區域內均勻布設平高點，共11號、10號、81號、80號、77號、72號、53號、54號、69號、85號、64號、31號、86號、19號、91號、16號、26號、4號、40號、43號、61號、13號、1號、82號、7號、46號、58號、57號、66號、84號、62號、47號、35號、37號、29號、22號、90號、14號、3號、6號、44號，四十一個點［9］。

2.5 四種控制點布設方案空三加密后檢查點精度對比分析

解析及全數字測圖系統所需要的像控點，采用常規的加密方法，解析空中三角測量采用自動空中三角測量軟件無人機管家2.0專業版進行加密作業。任務是為像片糾正和測圖提供定向點和細部點，并提供作業時所需要的儀器安置元素數據（內方位元素和外方位元素）。

①內業加密控制點相對鄰近野外控制點的平面點位中誤差不超過表2的規定。

表2 加密點平面中誤差（單位：m）

②采用全數字攝影測量系統（DPS）或工作站（DPW）進行空中三角測量時，其內定向測標應嚴格對準框標，框標坐標量測誤差不得大于±0.01mm。數碼影像不需要內定向。

③相對定向標準點的殘余上下視差限差不超過± 0.005mm，檢查點殘余上下視差限差不超過±0.008mm。模型連接平面位置較差ΔL≤0.06×mt×（10-3）m，高程較差ΔZ≤0.04×mt×fk×（10-3）/b（m）。式中：mt為相片比例尺分母；fk為航攝儀焦距mm；b為像片基線長度mm。

④絕對定向基本定向點殘差、多余控制點不符值及區域網間公共點較差不超過表3的規定。

表3 絕對定向限差（單位：m）

⑤加密點中誤差以全區或單個區域為單位按下列公式進行估算：

式中：mq為控制點中誤差，單位m；mg為公共點中誤差，單位m；Δ為多余野外控制點不符值，單位m；d為相鄰航線或相鄰區域網之間公共點較差，單位m；n為評定精度點數。

2.6 平差計算和精度對比

采用光束法系統程序進行平差計算，最終輸出可供內業全數字攝影測量系統使用的加密成果。通過四種不同的相控點布設方案，對精度進行了統計，見表4。

3 實驗結論和注意的問題

3.1 實驗結論

實踐中，通過對各方案的比較分析，可以得出：采取四周均勻布設，內部少量布設的方法，可以大大提高空三加密的精度（如圖4所示）。

圖4 像控點點位圖

但并不是控制點密度越大越好，布設的控制點太多不但大幅度增加外業和內業的工作量，而且對于解析空中三角測量精度的提高并起不了太大的作用，測區內部適當增加平高控制點，測區的高程精度有所改善，但改善的量并不明顯，沒有現實意義。

3.2 進行相控點布設時需要注意的問題

①數據源是低空無人機航空攝影測量的基礎數據，質量好的數據源文件是成果精度的最基本保障，要求無人機在野外飛行時盡量保持較好的飛行姿態，航攝時光線要求必須充足，選擇適合無人機飛行作業的天氣，獲取質量較好的原始影像資料。

②在布置區塊作業時，為了能夠較好地保證整個測區的精度，不同飛行架次的首航帶和尾航帶必須有一定的重疊，并且在航帶重疊的首尾航片布設像控點。

③在實際工作中，測區往往是不規則的幾何區域，在整個測區相對凸出和凹陷的位置，要增加布設像控點，保證整個不規則測區的構網。

4 結語

本文通過實驗，使用不同的控制點布設方案在相同的工作區域進行應用，然后進行控三結果精度分析，得出了適合低空無人機航空攝影測量的布點方案。實驗采用深圳飛馬F200無人機系統，得出采取四周均勻布設，內部少量布設的方法，相比于傳統航測區域網控制點布設，需要的外業控制點更少，成果精度較高，減少了外業工作量。無人機航測成果應用于城市現代化建設將是測繪行業的一個發展趨勢，特別適合用于范圍不大的大比例尺地形圖的測繪，長度小于100km的河道、電力選線、道路選線等線路工程大比例尺帶狀地形圖的測繪、應急救災快速響應測繪，小范圍大面積房屋建筑物的普通地形測繪等。同時，由于無人機本身特點的限制，一般荷載能力有限，無法搭載重量大的相機，造成拍攝的像片像幅較小，以至于拍攝的工作量很大，無人機飛行效率一般較低，不太適用于大面積區域的測繪?，F階段，大多數無人機航測系統搭載的相機都是普通的單鏡頭數字相機，基高比較小，因此一般無人機航測的高程精度不高，不適用于對高程精度要求較高的測繪項目，雖然傾斜攝影測量的出現使無人機測繪產品精度大幅提升，但受電池續航方面的制約，處理數據量過于龐大等瓶頸難以突破，目前還不能用于大范圍的測繪生產。希望測繪技術快速發展，不久的將來無人機航空攝影測量諸多的技術難題將得以解決［9-10］。

表4 平差計算和精度對比

［1］王之卓.攝影測量學原理［M］.北京：測繪出版社，1984.

［2］張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學［M］.武漢：武漢大學出版社，2012.

［3］鄧廷起.無人機空中三角測量研究與應用［D］.武漢：武漢大學，2011.

［4］黃世德.航空攝影測量學［M］.北京：測繪出版社，1985.

［5］國家測繪局.CHZ 3004-2010低空數字航空攝影測量外業規范［S］.北京：測繪出版社，2010.

［6］王聰華.無人飛行器低空遙感影像數據處理方法［D］.青島：山東科技大學，2013.

［7］買小爭，楊波，馮曉敏.無人機航攝像控點布設方法探究［J］.測繪通報，2012（增刊）：268-271.

［8］王鐵軍，鄭福海.ADS80航攝影像在省級基礎測繪中的控制點布設方案研究［J］.技術應用，2014（1）：97-100.

［9］張治國.關于無人機在大比例尺測圖中的飛行質量探討［J］.價值工程，2014（31）：226-227.

［10］柏飛.影響無人機航測高程精度分析［J］.測繪技術裝備，2014（3）：92-94.

Discussion and Research on Image Control Point Layout in Low Altitude Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry

Zhang Xu
（Henan Water Conservancy Survey Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

With the low altitude without application in the project of the machine,on the same test area with different control point layout program,through the analysis of influence on different scheme of air three accuracy,feasible method of image control point layout,which can meet the requirement of precision and save the workload of industry, is obtained,which is a reference for similar projects.

unmanned aerial vehicle；aerial photogrammetry；phase control point layout；space three encryption；precision

P231

A

1003-5168（2017）07-0030-04

2017-06-02

張煦（1978-），男，本科，工程師，研究方向：無人機攝影測量與遙感。