提高無人機航測空三加密精度的方法

黃文鈺

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

無人機航測技術已經成功應用于大量的項目生產，如何快速有效處理海量無人機數據，保證航測成圖的精度，是航測發展面臨的首要問題。

空三(空中三角測量)加密，指利用少量控制點的像方和物方坐標，解求出未知點的坐標，使得每個模型中的已知點都增加4個以上，然后利用這些已知點解求所有影像的外方位元素。空三加密精度不夠，會導致航測外業的像控點量測甚至航飛環節的返工[1]，并引起航測內業后續工序無法開展[2-3]。

無人機影像與傳統航攝影像相比，具有成本低廉、時效性強等優點，近年來被廣泛應用到地形圖繪制和三維建模等項目。但是無人機影像也具有明顯的缺點：① 姿態穩定性差；② 影像畸變大；③ 基高比小、模型切換頻繁，高程精度低。目前市場上還沒有無人機空三加密的軟件能完全解決這些問題，精度很難滿足傳統航測規范要求。

為便于說明問題，選擇具有代表性的“貝殼梁風電場無人機航測項目”為對象進行分析。使用傳統的空三加密辦法，基本定向點殘差統計如表1所示。

表1 貝殼梁風電場無人機航測1∶2 000空三加密精度統計表(傳統空三方法)

根據GB 23236-2009《數字航空攝影測量 空中三角測量規范》的要求[4]，此項目為1∶2 000丘陵地形圖測圖，基本定向點殘差最大限值為平面位置中誤差0.6 m，高程位置中誤差0.26 m。

而以上統計表明，該風電場基本定向點的中誤差不能滿足規范的精度要求，尤其是高程中誤差較大，33%的點高程中誤差不滿足規范要求。

對其他幾個類似的無人機航測項目進行了空三加密的精度統計，得到表2。

表2 無人機航測1∶2000空三加密精度統計表(傳統空三方法)

對上述的幾個無人機航測項目進行了空三加密的精度統計分析，得到圖1 。

圖1 無人機航測1∶2 000空三加密精度統計圖

圖1表明這些項目的基本定向點的平面位置和高程中誤差都與規范要求存在一定差距。

1 改進方法

圖2 無人機航測空三加密的主要流程圖

本文從無人機航測空三加密的流程入手進行分析，尋找技術改進方法。傳統的無人機空三加密流程如圖2所示。

由于無人機影像一般是由非量測相機獲取的，必須經過畸變差校正后才能進行空三加密，這一環節需要嚴密的相機檢校參數，否則嚴重影響影像匹配的精度[5]。而自動匹配與光束法平差環節受軟件性能制約，如果有匹配算法不合適以及與平差參數不合理的情況，導致空三加密自動化程度過低，需要大量人工干預，會降低空三加密的效率和精度，加大內外業工作量，甚至導致空三失敗[6]。

綜上本文針對以上2個問題進行研究，改進空三加密的方法。

1.1 優化相機檢校方法，得出準確的相機參數

現階段在無人機航測生產過程中，絕大多數生產單位使用的都是非量測相機。為了達到較好的航測精度，就必須對使用的非量測相機進行檢校，而且考慮到非量測相機的畸變差參數的不穩定性，就必須隔段時間就對非量測相機進行檢校[7]。這樣，簡單快捷的相機標定方法及軟件就顯得尤為重要和迫切，通過以下3種方法的比較來確定相機檢校的實施方案。

1.1.1 相機自檢校

自檢校方法是利用定焦相機的鏡頭光學結構不隨主距變化而變化的特點，通過預檢校獲取內方位元素的變化規律，以此來減少檢校未知數的個數，達到簡化自檢校模型的目的[8]。在不需要建立檢校場的情況下，只利用目標周圍的影像和影像之間的對應關系對相機進行檢校，此種方法造價低，操作簡單，僅依靠一些影像和軟件即可完成，但經過項目實驗發現，此種方法的缺點是穩健性較差，對空三加密精度的提高有限，適用于相機參數本身比較準確的影像，而對相機參數已發生較大變化的影像來說，改善效果并不明顯。

1.1.2 物理檢校

物理檢校需要將相機送往專業的研究機構進行檢校。實驗表明，該方法得到的相機參數較為準確，用此相機檢校參數能較大幅度地提高空三加密的高程精度。但該方法也存在一些缺點：① 費用較高，按一般情況估計，一臺非量測相機1 a的費用約為3～5萬元；② 必須將相機送往專業的實驗室，檢校周期較長，可能影響其他項目的航攝，相機來回運送也會產生較高的費用和風險。

1.1.3 自主建立室內檢校場進行檢校

結合無人機非量測型相機標定的需求，本文提出了一種基于卡片式標定板的便攜、免控制的相機標定解決方案，給相機標定帶來了較大的便利。

(1) 場地選擇

拍攝相機標定影像，需要一個較開闊的拍攝場地。場地要求如下：① 拍攝場地需要光線充足；② 場地面積不能小于3 m×2 m；③ 拍攝者站立位置與墻壁距離不能小于3 m；④ 背景最好為白色的墻壁；⑤ 墻壁平整，確保四周沒有遮擋。

(2) 擺放標定板

確定場地及擺放位置后，即可開始擺放標定板。

1) 材料準備：準備泡沫板、雙面膠帶、大頭針等材料。

2) 擺放標定板時先利用雙面膠帶將泡沫板固定在墻上，再利用大頭針將標定板固定在泡沫板上。

布設標定場時，標定板之間需要有一定的高差，主要目的是模擬出地形起伏。按照標定要求在規定的3個拍攝位置：標定板正前方，標定板右前方以及標定板左前方，拍攝45張以上的影像，應用相應軟件進行一鍵標定，計算出相機參數。相機檢校標志擺放如圖3所示。

圖3 相機檢校標志擺放示意圖

仍以貝殼梁風電場的研究對象，比對2種相機檢校方法的效果，得到的結果如表3所示。

表3 兩種相機檢校方法的相機參數應用情況比較表

分析得到，室內檢校場方法比物理檢校方法的精度略低，但室內檢校場可以多次利用，大幅度降低成本。并且僅僅依靠相機檢校的辦法，空三加密精度并未完全滿足規范要求，需要繼續改進空三加密技術。

1.2 針對測區特點優化軟件配置組合，提高無人機航測空三加密精度

1.2.1 Pixelgrid軟件的特點

Pixelgrid攝影測量系統是國產空三軟件的領先者，空三加密的精度可靠，質量可控，被廣泛應用于航測內業數據處理中。該軟件處理無人機航測數據，步驟劃分較細，優點是程序穩定，對無人機飛行姿態要求不高，每一環節都能進行人工干預和質量控制，缺點是自動化程度不夠高，處理速度較慢，滿足不了項目工期需要。

1.2.2 Inpho軟件的特點

Inpho是世界領先的航測數據處理系統，最顯著的優點是自動化程度與全自動匹配精度較高，但軟件對無人機飛行姿態、pos精度、地物紋理的要求較高，如遇到條件不理想的測區，匹配錯誤較多，而該軟件的人工干預量較少，對于困難區域無法保證空三加密精度。

以往采用的單一軟件的空三加密，由于各軟件本身的缺陷，存在較多點位中誤差超限和返工現象。2種優勢明顯的軟件聯合使用，在充分利用inpho快速自動處理海量無人機數據能力的同時，能結合Pixelgrid過程控制的優勢，實現優化資源配置，提高生產效率。聯合空三加密的優勢如表4所示。

表4 pixelgrid與inpho聯合空三優勢統計表

對貝殼梁風電場影像數據，采用室內檢校參數，并使用pixelgrid與inpho聯合空三加密方法后，結果如表5所示，已滿足規范要求。

表5 貝殼梁風電場無人機航測1∶2 000空三加密精度統計表(聯合空三方法)

選取了其他幾個航測成圖項目，利用空三加密得到的基本定向點中誤差，結果如表6所示。

表6 技術改進前后情況對比表

在此后的1∶1 000地形圖的谷梁風電場、哈密抽水蓄能等項目也得到了驗證，空三加密精度完全滿足國家1∶1 000空三加密的規范要求。統計結果如表7所示。

表7 1∶1 000空三加密精度統計表

對上述兩個1∶1 000無人機航測項目進行了空三加密的精度統計分析，得到圖4，表明1∶1 000地形圖的空三加密精度也能滿足國家規范的相應要求。

圖4 1∶1 000項目空三加密精度統計圖

2 結 語

本論文主要研究了無人機航測空三加密精度的提高方法，通過比較各種相機檢校方法，綜合考慮精度、效率和成本，自主創建了高精度的室內相機檢校場；并進行了空三加密軟件的聯合平差實驗，優化了軟件組合和配置；從而完成了對傳統空三加密流程的改進。

經過與傳統空三加密方法的比較實驗以及項目推廣實驗，表明了改進后的空三加密方法較好地解決了無人機航測高程精度較低的問題，空三結果能滿足1∶1 000、1∶2 000地形圖國家規范的精度要求，從而提高了航測成圖的精度。綜上所述，本文研究的方法為無人機航測成圖提供了一種較新的思路和較為實用的方法。