Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)密度探討

焦 旺，嚴(yán)亞敏，張 壁

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 前言

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)近幾年發(fā)展如火如荼,利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立的數(shù)字三維模型,廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、工程智能化管理以及應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域。傾斜攝影三維模型直觀反映地物真實(shí)樣貌[1],加入像片控制點(diǎn)后,具有較高幾何精度。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量已成為測(cè)繪大比例尺地形圖又一技術(shù)手段。商建偉[2]、馬學(xué)峰[3]等眾多學(xué)者均對(duì)利用傾斜攝影技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖的技術(shù)流程進(jìn)行了研究,但就像控點(diǎn)布設(shè)方案的討論較少。

像片控制點(diǎn)是實(shí)測(cè)于地面可在影像上清晰分辨的特征點(diǎn)位,是攝影測(cè)量中實(shí)現(xiàn)像空間坐標(biāo)系向地面空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的唯一參照。傾斜攝影測(cè)量中,單位面積布設(shè)像控點(diǎn)越多,對(duì)成果精度越有利,但過(guò)密的像控點(diǎn)會(huì)延長(zhǎng)測(cè)量周期,增加勞動(dòng)成本,甚至延誤項(xiàng)目工期。現(xiàn)行《傾斜航空數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)規(guī)程》（GB/T 39610-2020）未對(duì)像控點(diǎn)布點(diǎn)方案作出明確規(guī)定。在保證成果精度的前提下,確定適宜的像控點(diǎn)布設(shè)密度,提高像片控制測(cè)量工作效率,是本文探討的重點(diǎn)。

大疆Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)是一款經(jīng)典的消費(fèi)級(jí)單鏡頭多旋翼無(wú)人機(jī)。該機(jī)輕便靈活、成本低廉,其自帶相機(jī)可在云臺(tái)控制下調(diào)整鏡頭俯仰,在專業(yè)飛控軟件的控制下,可以通過(guò)多架次不同方向不同角度的拍攝,獲取同一區(qū)域完整的傾斜攝影數(shù)據(jù),適宜在小型攝區(qū)的低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中使用。Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 大疆Phantom 4 Pro 無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

2 研究方法

2.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程

接到傾斜攝影測(cè)量任務(wù)后,首先要明確測(cè)量范圍和精度要求,制定技術(shù)方案,并按照規(guī)定申請(qǐng)空域。空域獲批后方可在獲準(zhǔn)的時(shí)間和范圍（高度）內(nèi)開(kāi)展無(wú)人機(jī)傾斜航空攝影工作。像控測(cè)量一般在外業(yè)航飛前完成,像控點(diǎn)應(yīng)將測(cè)量范圍完整覆蓋,可布設(shè)為地標(biāo)點(diǎn),也可測(cè)量地面既有特征點(diǎn)。航飛應(yīng)選在風(fēng)速小、光照好的時(shí)段進(jìn)行。航飛時(shí),像控點(diǎn)如遭破壞或遮擋,應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。航飛完成后,對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行檢查,如航線彎曲過(guò)大、影像重疊不足或有云霧遮擋、漏拍等情況,應(yīng)進(jìn)行重飛補(bǔ)飛。數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后進(jìn)行空三計(jì)算,如空三計(jì)算失敗或不合格,可多次重復(fù)計(jì)算,并從POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)測(cè)量精度等方面查找原因,必要時(shí)進(jìn)行重飛。空三計(jì)算合格方可進(jìn)行三維建模,建模完成后,利用檢查點(diǎn)對(duì)三維模型精度進(jìn)行檢查。經(jīng)精度檢查合格的三維模型可用于地形圖的生產(chǎn)。

2.2 研究思路

選取采用Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)完成的平地和丘陵地兩處傾斜攝影測(cè)量項(xiàng)目數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別用攝區(qū)布設(shè)的全部像控點(diǎn)和經(jīng)過(guò)抽稀的像控點(diǎn)對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算,使用檢查點(diǎn)對(duì)不同密度像控點(diǎn)參與空三計(jì)算生成的三維模型成果精度進(jìn)行檢查統(tǒng)計(jì),對(duì)比不同像控點(diǎn)密度下三維模型成果精度,進(jìn)而探討不同測(cè)圖比例尺和精度要求的傾斜攝影測(cè)量項(xiàng)目像控點(diǎn)布設(shè)密度的推薦值。

2.3 精度指標(biāo)

傾斜攝影數(shù)字三維模型的平面精度和高程精度可分別用地物點(diǎn)平面位置中誤差和高程注記點(diǎn)高程中誤差來(lái)衡量。地物點(diǎn)平面位置中誤差的計(jì)算方法是：利用平面檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)和在三維模型上量取的相應(yīng)位置坐標(biāo)計(jì)算平面位置較差,再用中誤差公式計(jì)算平面位置中誤差。高程注記點(diǎn)高程中誤差則利用高程檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程和在三維模型上相應(yīng)位置量取的高程之差計(jì)算。檢查點(diǎn)數(shù)量少于20 時(shí),以誤差的算術(shù)平均值代替中誤差；檢查點(diǎn)數(shù)量大于等于20 時(shí),中誤差按如下表達(dá)式計(jì)算：

式中：M為中誤差；n為檢查點(diǎn)總數(shù)；Δi為較差。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)一

3.1.1 攝區(qū)概況

攝區(qū)地形平坦,長(zhǎng)約1.0 km,寬約0.8 km,呈矩形,最大高差30 m,需測(cè)制1∶1000 地形圖。按照航向500 m和旁向400 m的間距共布設(shè)9 個(gè)像控點(diǎn),布設(shè)圖見(jiàn)圖1。攝區(qū)布設(shè)了4 個(gè)平面檢查點(diǎn)和67 個(gè)高程檢查點(diǎn)用于精度檢驗(yàn)。無(wú)人機(jī)航飛相對(duì)航高設(shè)為250 m,航向重疊度設(shè)為70%,旁向重疊度設(shè)為60%,攝影基線長(zhǎng)度為60 m,航線間距為145 m,攝區(qū)最低點(diǎn)影像地面分辨率為0.07 m。

中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)會(huì)長(zhǎng)李壽生提出了同樣的觀點(diǎn)：“鹽湖是青海最重要的資源，也是國(guó)家的戰(zhàn)略資源。確立資源綜合利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，依靠技術(shù)創(chuàng)新，向制造業(yè)下游和高端產(chǎn)品延伸產(chǎn)業(yè)鏈，青海鹽湖正在夯實(shí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的鹽橋，不斷延伸高質(zhì)量發(fā)展的鹽路，開(kāi)創(chuàng)世界無(wú)機(jī)鹽產(chǎn)業(yè)建設(shè)鎂鋰鉀鹽的中國(guó)高地。”

圖1 實(shí)驗(yàn)一像控點(diǎn)分布

3.1.2 計(jì)算方案

方案A：使用攝區(qū)布設(shè)的全部像控點(diǎn)參與空三計(jì)算,像控點(diǎn)間距400 m~500 m。方案B：選取攝區(qū)四角和中心5 個(gè)像控點(diǎn)參與空三計(jì)算,像控點(diǎn)平均間距640 m。

3.1.3 精度統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)A、B兩種方案處理數(shù)據(jù)生成三維模型的平面和高程精度,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)一三維模型精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一兩種計(jì)算方案三維模型實(shí)際中誤差與規(guī)范[4]允許中誤差對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)一兩種計(jì)算方案實(shí)際中誤差與允許中誤差對(duì)比

3.1.4對(duì)比分析

（1）就平面精度而言,航測(cè)平地1∶1000地形圖,地物點(diǎn)平面位置允許中誤差為±0.6 m。A和B兩種方案統(tǒng)計(jì)的地物點(diǎn)平面位置中誤差分別是±0.046 m和±0.124 m,均滿足規(guī)范[4]要求。

（2）就高程精度而言,航測(cè)平地1∶1000地形圖,等高距可以取0.5 m,也可以取1.0 m,相應(yīng)的高程注記點(diǎn)高程允許中誤差分別為±0.14 m和±0.30 m。A和B兩種方案統(tǒng)計(jì)的高程注記點(diǎn)高程中誤差分別是±0.130 m和±0.273 m,如等高距選0.5 m,則只有方案A精度滿足規(guī)范[4]要求,如果等高距選1.0 m,則A和B兩種方案精度都滿足規(guī)范[4]要求。

3.2.1 攝區(qū)概況

攝區(qū)為黃土高原丘陵地形,面積約0.8 km2,最高海拔910 m,最低海拔800 m,最大高差110 m,需測(cè)制1∶500地形圖。攝區(qū)按照不超過(guò)400 m的間距共布設(shè)12 個(gè)像控點(diǎn),布設(shè)圖見(jiàn)圖3。攝區(qū)布設(shè)了6 個(gè)平面檢查點(diǎn)和45 個(gè)高程檢查點(diǎn)用于精度檢驗(yàn)。由于攝區(qū)高差較大,將攝區(qū)分為兩個(gè)分區(qū)進(jìn)行傾斜攝影。起飛點(diǎn)高程810 m,一分區(qū)航高250 m,主要對(duì)山丘進(jìn)行航攝,航向重疊度設(shè)為80%,旁向重疊度設(shè)為70%,攝影基線長(zhǎng)度為45 m,航線間距為110 m；二分區(qū)航高170 m,主要對(duì)溝道進(jìn)行航攝,航向重疊度設(shè)為70%,旁向重疊度設(shè)為60%,攝影基線長(zhǎng)度為30 m,航線間距為85 m。攝區(qū)最低點(diǎn)影像地面分辨率為0.05 m。

圖3 實(shí)驗(yàn)二像控點(diǎn)分布

3.2.2 計(jì)算方案

方案E：使用攝區(qū)布設(shè)的全部像控點(diǎn)參與空三計(jì)算,像控點(diǎn)間距300 m~400 m；方案F：選取實(shí)驗(yàn)區(qū)邊界拐角處6 個(gè)像控點(diǎn)參與空三計(jì)算,相鄰像控點(diǎn)最小間距為460 m,最大間

( )距680 m。

3.2.3 精度統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)E、F兩種方案處理數(shù)據(jù)生成三維模型的平面和高程精度,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)二三維模型精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)二兩種計(jì)算方案實(shí)際中誤差與規(guī)范[4]允許中誤差對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)二兩種計(jì)算方案實(shí)際中誤差與允許中誤差對(duì)比

3.2.4 對(duì)比分析

（1）就平面精度而言,航測(cè)丘陵地1∶500 地形圖,地物點(diǎn)平面位置允許中誤差為±0.3 m。E和F兩種計(jì)算方案統(tǒng)計(jì)的地物點(diǎn)平面位置中誤差分別是±0.073 m和±0.166 m,均滿足規(guī)范[4]要求。

（2）就高程精度而言,航測(cè)丘陵地1∶500 地形圖,等高距可以選0.5 m,也可選取1.0 m,相應(yīng)的高程注記點(diǎn)高程允許中誤差分別為±0.20 m和±0.40 m。E和F兩種計(jì)算方案對(duì)應(yīng)的高程注記點(diǎn)高程中誤差分別是±0.128 m和±0.363 m,若等高距取0.5 m,則只有方案E精度滿足規(guī)范[4]要求,若等高距取1.0 m,則E和F兩種方案精度都滿足規(guī)范[4]要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)基于Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)的平地1∶1000傾斜攝影和丘陵地1∶500 傾斜攝影使用不同密度像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的成果精度進(jìn)行對(duì)比研究,得出以下結(jié)論：

（1）在攝區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)密度適當(dāng)?shù)那闆r下,基于Phantom 4 Pro單鏡頭多旋翼無(wú)人機(jī)的傾斜攝影成果數(shù)據(jù),精度滿足生產(chǎn)平地、丘陵地乃至山地1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖的要求。

（2）測(cè)圖比例尺和測(cè)圖等高距限定了航測(cè)地形圖平面和高程允許中誤差,進(jìn)而影響無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中像控點(diǎn)布設(shè)密度的確定。允許中誤差越小,精度要求越高,像控點(diǎn)布設(shè)密度應(yīng)越高。

（3）針對(duì)Phantom 4 Pro這一機(jī)型,測(cè)量1∶500 地形圖,測(cè)區(qū)相對(duì)航高宜在150 m~180 m選擇,如測(cè)圖等高距取0.5 m,建議按350 m間距布設(shè)像控點(diǎn),如測(cè)圖等高距取1.0 m,建議按500 m間距布設(shè)像控點(diǎn)；測(cè)量1∶1000地形圖,測(cè)區(qū)相對(duì)航高宜在250 m~300 m選擇,如測(cè)圖等高距取0.5 m,建議按照500 m間距布設(shè)像控點(diǎn),如測(cè)圖等高距取1.0 m,建議按照650 m間距布設(shè)像控點(diǎn)。