無人機航測像控點布設方案探討

李真真,陳 虎

(1.蒼穹數碼技術股份有限公司,湖北 武漢 430073;2.中石化江漢石油工程設計有限公司,湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著科學技術的不斷發展,低空無人機航空攝影測量以其機身小巧、操作靈活、成本低、起降方便、便于轉運等優點被廣泛采用,已經成了空間數據獲取的重要手段[1],在測繪行業發揮著越來越重要的作用。這種手段適用于快速獲取小面積、高精度的大比例數字地圖,可以降低外業工作強度、節省外業工作量、提高工作效率。

像控點布設和測量是航空攝影測量的重要工作,也是成果文件的定位基礎,直接影響最終交付產品的精度指標。同時,像控點布設是現場消耗時間和人力物力比較多的工作之一,也影響著項目的成本和效益。近年來,隨著無人機定位技術的進步和相機精度的提高,相對于傳統航空攝影測量,無人機航空攝影測量對像控點數量的要求有所下降,有些無人機標稱已達到免像控測量,但對于精度要求較高的工程項目而言必須布設野外像控點[2]。像控點布設方案直接影響最終精度和工作效率,增加像控點的數量有利于提高空三解算的精度,但如果像控點自身測量精度不一致且位置不合理,空三解算精度反而會隨著像控點數量的增加而降低[3]。在滿足大比例尺測圖精度要求的前提下,為保證合適的效率和經濟效益,選擇適合的像控點布設方案也就成了實際工作中遇到的難題。

本文以像控點布設方案為研究對象,結合某工程實例,采用大疆精靈4 RTK(Phantom 4 RTK)小型多旋翼高精度航測無人機進行作業。其搭載1英寸CMOS,相機有效像素2 000萬,具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統,集成RTK 模塊,擁有精準定位能力,提供實時厘米級定位數據,同時支持 PPK 后處理,并可通過無線網卡或Wi-Fi熱點與NTRIP連接。在航飛范圍內布設多個地面像控點并將它們進行分組,每組內含有不同數量的像控點和檢查點,通過內業計算軟件大疆智圖進行空三解算和區域網平差,得到不同分組對應的空三結算結果,對此結果進行分析比較,探討不同像控點布設方案對精度輸出的影響。

1 像控點布設

1.1 像控點布設原則

在測區布設像控點是為了使無人機影像和地面坐標系建立聯系,將相片空間坐標糾正到地面坐標系中,保證最終二、三維航飛成果的地理精度,便于后期制作地形圖等圖件。像控點布設的基本原則有:像控點宜均勻地布設在測區范圍內,像控點的目標影像應清晰,易于判刺和立體量測。像控點應能公用,單航線宜布設在航向3片重疊范圍內,多航線宜布設在航向及旁向6片或5片重疊范圍內,并確保像控點在相鄰各片的影像清晰。高程控制點點位目標應選在高程起伏較小的地方,以線狀地物的交點和平山頭為宜;狹溝、尖銳山頂和高程起伏較大的斜坡等均不宜選作點位目標。像控點點位距相片邊緣不應小于150像素。測區四角及航線交叉處應布設像控點。位于自由圖邊、待成圖邊以及其他方法成圖的圖邊控制點應布設在圖廓線外[4]。

1.2 像控點布設方法

像控點可在航飛作業實施前進行布設。利用油漆、沾標板和膠帶等材料在無遮擋的地面設置像控標志,這種做法能夠得到比較明顯的像控點,便于后期測量坐標和刺點,但也存在像控點丟失、壓蓋等風險,影響最終像控點數量。

像控點可在航飛作業實施后進行布設。航飛完成后,通過影像判讀刺點,合理布局像控點位置,可以是道路標線、路口或線狀地物交點等,再安排人員到現場對像控點坐標進行采集。這種方法可大大減少外業布控的時間,但精度和判讀的準確性不如航飛前布設像控點[5]。

除此之外,在實際工作中,工程人員往往結合上述兩種方法,先布設少數人工像控點,在采集這些控制點坐標的過程中,根據經驗對沿途道路標線、路口或線狀地物交點等位置進行坐標采集。這些點在內業處理過程中可作為像控點或者檢查點參與空三解算,從而提高精度,也便于檢查最終結果的可靠性。

1.3 像控點測量

像控點測量可采用光電導線或GNSS-RTK等測量方法,GNSS-RTK測量技術又分為單基站RTK和網絡RTK。單基站RTK要求基準站設在地勢相對較高、無強烈干擾或阻礙接收衛星信號的位置,流動站距基準站的距離不宜超過10 km,電臺頻率不應與測區其他無線電通信頻率沖突。網絡RTK以其單人單機作業、攜帶方便等優勢逐漸成了主流測量方式,它要求測量儀器位于網絡有效覆蓋范圍內。無論哪種測量方法都應在開闊地帶進行流動站的初始化,接收衛星不應少于5顆,PODP值應小于6,當獲得固定解后應檢測2個以上的控制點,檢測結果不大于相關規范中的規定,然后再進行測量作業。

像控點測量精度對最近等級控制點的平面位置中誤差應小于地物點平面位置中誤差的1/5,高程中誤差應小于基本等高距的1/10。

2 實驗實施與分析

某工程位于湖北省棗陽市在建高速公路工地,地形分類屬平原地區,根據設計要求需測繪1∶500地形圖,測圖范圍為中軸線兩側各200 m。利用大疆精靈4 RTK無人機進行外業航飛作業。

根據規范要求,影像地面分辨率(GSD)需優于5 cm,為確保地物在三維模型中清晰可辨,地理位置精度可靠、達標,相對航高利用公式進行計算。

H=f×GSD/a

式中,H為相對航高,f為攝影鏡頭的焦距,GSD為影像的地面分辨率,a為像元尺寸的大小。

本工程設計航高150 m,對應影像地面分辨率為4.1 cm,滿足規范要求。航向重疊度80%,旁向重疊度60%,飛行當天天氣晴朗,能見度高。在工程矩形區域內共飛行10個航帶,拍攝照片413張。

根據本文上述像控點布設原則、方法等要求,在航飛工作開始前,在現場利用油漆和地面固定標志共布設像控點15個,以保證后期進行實驗分組時對像控點數量的要求。

無人機航測外業完成后,采用內業處理軟件大疆智圖通過光束法進行空中三角測量,由于大疆無人機拍攝的影像已將POS數據融合入照片,照片導入大疆智圖后直接加入像控點坐標進行刺點和空三優化,完成區域網平差,由軟件生成空三報告,可通過調整控制點和檢查點數量來評估空三質量,找到能夠滿足規范精度要求時需使用的控制點數量。

《油氣田工程測量標準》(GB/T 50537—2017)[4]要求測區四角及航線交叉處應布設像控點,本次實驗在測圖區域內按以下5個方案分別布點:方案一在測區四角布4 個像控點;方案二在測區四角和中間布5個像控點;方案三在測區四角和中間布6個像控點;方案四在測區內均勻布設8 個像控點;方案五在測區均勻布設11 個像控點。每種方案剩余其他點作為對應方案的檢查點,通過對比分析各方案檢查點中誤差來優選控制點布點方案和數量。

以《油氣田工程測量標準》(GB/T50537—2017)航空攝影測量空中三角測量1∶500檢查點平面位置精度中誤差0.175 m、高程精度中誤差0.15 m為最大限值,對像控點不同布設方案的區域網平差解算結果進行統計分析,結果如表1所示。

表1 不同布點方案精度統計

從上表數據可以看出:方案一在四周布點的方式檢查點高程中誤差超限,方案二至方案五的檢查點平面中誤差和高程中誤差都滿足規范要求,方案三至方案五中隨著像控點數量的增加空三解算精度并沒有提高很多,反而在方案五中精度出現了下降,說明增加像控點數量并不能無限制提高精度。在均勻分布的前提下,方案二和方案三都得到了很好的精度結果。

3 結語

在滿足規范和工期要求下,按照方案二、三均勻布設像控點能夠得到較好的精度指標。并且方案二、三中僅使用5～6個像控點,比方案四和方案五少布設3～6個像控點,在外業工作中也節約了時間、人力、物力,能夠獲得更好的經濟效益。像控點數量能夠直接影響空三精度和最終模型精度,控制點在四周和中間均與布點時精度最高,隨著控制點數量的增加,平面精度和高程精度不一定會隨之增高,按照方案二、三中布點方案為這一類航飛項目的最優像控點布設方案。

在實際工作中,影響空三精度的因素有很多,如刺點精度、像控點可辨識度、飛行高度、天氣情況等,本文也僅對一個工程進行實驗分析,今后將進一步實驗探討其他因素,以期對無人機航測工作提供有益參考。