帶狀測區像控點布設對無人機影像空三精度的影響

吳海兵 王艷波 劉曉文

(1. 南京市水利規劃設計院股份有限公司, 江蘇 南京 210022;2. 山東廣源巖土工程有限公司, 山東 煙臺 264000)

0 引言

無人機影像像幅小、數據量大,航向和旁向重疊度因航拍過程中無人機姿態變化大而不規則,因此無人機航測暫時無法達到傳統的空三測量水平,為提高測區成圖精度,需要通過一定數目的地面控制點來修正系統誤差帶來的影響[1-4]。無人機航測像控點布設通常參照文獻[5-8],即區域網布點時像控點之間的跨度要以滿足空中三角形精度為要求,需要依據成圖精度、航攝資料的有關參數等多種因素決定[9-12],不能完全適用于各種特殊地形地貌條件和工程應用需求[13-15]。

水利工程大型河道類項目在勘測設計階段通常需要河道兩側背水坡坡腳線外50～100 m帶狀區域的大比例尺地形圖,帶寬長度一般情況下低于350 m。由于河道呈“S”形彎曲狀,固定翼類無人機在航線規劃時應視具體情況截彎取直分段劃分,各分段區域呈矩形狀,考慮到像控點布設便利等因素,一般情況下矩形寬度500 m即可滿足大型工程地形圖范圍需求。針對大型河道工程帶狀區域無人機航測的特點,本文對均勻布設做一些調整,從而選取一種適合大型河道工程條帶狀測區無人機航測的控制點布設方案,在滿足成圖精度要求的前提下,相對減少像控點數量,提升工作效率。

1 研究對象介紹

本文研究對象以江蘇省常州市金壇區某河道水系整治工程作為試驗區域,航線規劃帶寬約500 m,帶長約3 500 m,測區內有兩座橋梁,地勢較為平坦,多以平原為主。無較高建筑物,地面最大高差小于15 m。

2 無人機攝影測量

2.1 數據采集

2.1.1影像采集設備

航測遙感無人機平臺為成都縱橫CW10電動垂直起降固定翼無人機,翼展2.6 m,最大續航時間90 min,巡航速度為20 m/s,最大任務荷載2 kg。搭載相機為Sony_LICE_7R,檢校焦距35.624 3,影像分辨率7 360×4 912像素,拍攝面積1.8 km2。平均相對航高358 m,航向重疊度70%～80%,旁向重疊度60%～70%,像素大小為4.88 um。飛行時天氣狀況良好。

2.1.2像控點采集設備

像控點坐標和高程采用水利工程四等全球定位系統(global positioning system,GPS)、國家四等水準控制網,按GPS 實時動態載波相位差分技術(real time kinematic,RTK)方式測定,其中像控點采集設備使用的是南方測繪——云帆RTK測量系統,動態精度:平面為±(8+1×10-6×D)mm、高程為±(15+1×10-6×D)mm(D為所測量的基線長度,單位為mm),滿足RTK圖根點測量精度要求。

像控點采用飛前布控方式,區域長邊按近似500 m間距均勻布設16個平高點,區域內部依據河道中心線按近似250 m間距均勻布設15個平高點,實際作業中無法保證布點位置的絕對規整。

2.2 數據處理

數據處理首先采用PIX4D專業軟件對原始無人機影像進行預處理,獲取精度較高的定位定姿系統(position and orientation system,POS)數據和相機檢校參數,然后將從PIX4D預處理獲得精度較高的POS數據和相機檢校參數導入INPHO專業軟件進行空中三角測量加密工作,具體技術流程如圖1所示。

圖1 數據處理技術流程

2.2.1PIX4D數據處理

采用PIX4D專業軟件對原始數據進行預處理,首先建立工程將獲取的原始無人機影像導入到PIX4D專業軟件,然后設置無人機影像屬性,包括POS數據坐標系和相機參數,最后對軟件進行自動化處理,其過程主要是為獲得精度較高的POS數據和相機檢校參數。

2.2.2INPHO數據處理

采用INPHO專業軟件進行空中三角測量加密工作。首先建立工程,選擇工程坐標系,本工程平面坐標系采用的國家2000坐標系,高程系采用的是1985國家高程基準。然后創建相機,相機參數使用PIX4D處理后較高精度的相機檢校參數。再依次導入影像、POS數據和控制點,此時軟件會自動生成航帶進行空中三角測量。在空中三角測量過程中對無人機影像先進行金字塔抽樣成不同分辨率,根據分辨率由低到高分別進行連接點匹配平差,所以原始POS和相機文件的質量決定了平差的精度,因此需要采用PIX4D專業軟件對原始相機參數和POS數據進行預處理,優化POS精度和相機參數。

3 像控點布設方案及空三精度分析

3.1 像控點布設原則

像控點的主要作用是為了提高空中三角測量的精度和絕對定向,使數字線劃地圖(digital line graphic,DLG)、數字正射影像(digital orthophoto map,DOM)等成果具有絕對地理坐標,提高空中三角測量的同時也能檢查空中三角測量的精度。布設像控點方式與數量決定了成果的精度。通常需要根據地形條件、攝影資料及信息處理方法的不同,布設方案也要做相應調整。布設原則具體如下:

(1)根據測區范圍統一布點,像控點應均勻且立體地布設在測區范圍內,形成一定的幾何強度,點位的分布應避免形成近似直線。

(2)布設密度要考慮測區的地形和精度要求,如地形起伏較大,地貌復雜,需適量增加像控點的布設數量。

(3)選點要盡量選擇固定、平整、清晰易識別、無陰影遮擋區域。

3.2 像控點布設方案

區域網像控點布設方案主要有三種:正規布點法、品字形布點法、密周邊布點法[2]。通常情況下,品字形布點數量少、精度低,密周邊布點法試用于水域區域,正規布點法像控點數量較多、精度較高，較可靠。

傳統航測像控點布設方式和布設圖形較為規則且數量多,在施測困難區域不具有操作性。根據測區及像控點分布的實際情況,設計了四種像控點布設方案。

(1)方案1采用正規布點法,即四周均勻布設。該方案共布設16個平高控制點作為基本定向點(X1,X2,…,X16),其余點位為檢查點。三角形所示為基本定向點,圓形為檢查點(下同),如圖2所示。

圖2 四周邊均勻布點

(2)“Z”形布點法。方案2中平高點(X1,X2,…,X16,X18,X20,X22,X24,X26,X28,X30)為基本定向點,其余點為檢查點,如圖3所示。

圖3 “Z”形布點

(3)“S”形布點法。方案3-1布設8個平高控制點作為基本定向點(X1,X4,X5,X8,X9,X12,X13,X16),其余為檢查點,如圖4所示。方案3-2布設8平高控制點作為基本定向點(X2,X3,X6,X7,X10,X11,X14,X15),其余為檢查點,如圖5所示。

圖4 “S”形布點1

圖5 “S”形布點2

(4)采用四角單點和內部“S”形布點法結合的方式,方案4-1采用了四個角點(X1,X2,X15,X16)加上控制點(X3,X6,X7,X10,X11,X14),其余點為檢查點,如圖6所示。方案4-2采用四個角點(X1,X2,X15,X16)加上控制點(X4,X5,X8,X9,X12,X13),其余點為檢查點,如圖7所示。

圖6 四角單點和內部“S”形布點1

3.3 各方案精度對比與分析

通過上述4種不同的控制點布設方案,對其相應的中誤差精度指標進行統計,如表1所示。中誤差是反映數學精度的一個重要指標,計算公式為

(1)

式中,Δ為量的真誤差;n為觀測值;m為中誤差。

通過表1各種不同控制點布設方案實驗結果統計對比,我們可以得出:

(1)精度最弱點位于區域四周,區域內部精度相對較高且均勻,所以要加強區域四周控制點布設,尤其是區域網四角點。

圖7 四角單點和內部“S”形布點2

(2)增加像控點數量,可以提高空三精度,但并非越多越好,過多的控制點不僅會增加內業刺點外業布點的工作量,而且像控點分布達到一定密度之后再增加數量對于空三精度提高并沒有太多的作用,實用性比不高。

(3)方案4與其他方案相比減少了像控點布設數量,空三精度結果滿足1∶1 000的數字化成圖,且可以避免測區部分區域因為野外地形交通等原因造成像控點不方便布設的不利因素。

表1 不同像控點布設方案光束法區域網平差統計結果對比

4 結束語

本文提出了一種適合大型河道類測繪項目長條帶狀區域的無人機航測布點方案,即采用四角單點和內部“S”形布點法結合的方式,通過對4種典型的適用于無人機航測的均勻布點方案進行試驗分析,表明本文提出方案得到的空三精度相當,控制點實施簡單且數量少,可以為相關工程提供參考。