航空攝影測量外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的精度分析及應(yīng)用

張文龍

（山東港通智匯信息技術(shù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

1 航空攝影測量試驗(yàn)區(qū)概況

該文選取的航空攝影試驗(yàn)區(qū)位于山東省煙臺(tái)市萊山區(qū)某試驗(yàn)區(qū)，測區(qū)較規(guī)則，形狀大致為矩形，東西寬約1050m，南北方向長約2000m，面積約201m2。測區(qū)內(nèi)地形高差不超過5m，屬于平坦地區(qū)，周邊建筑物和地表植被疏密不一，主要建筑物包括居民樓、廠房和學(xué)校等，并存在空曠地帶，適合進(jìn)行航空攝影測量的試驗(yàn)工作。綜合分析測繪效率、監(jiān)測精度以及勘測尺度要求，該文提出以“遙感影像技術(shù)+無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)”的綜合試驗(yàn)方法進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)精度研究。為了保證無人機(jī)傾斜攝影側(cè)面紋理采集的有效性，航線按照東西向直線飛行，航向重疊不小于85%，旁向重疊不小于80%，航向覆蓋超出攝影邊界線不少于10條基線。

2 航空攝影測量的設(shè)備選型和技術(shù)路線

2.1 航空攝影測量的設(shè)備選型

對(duì)遙感影像技術(shù)而言，影像分辨率會(huì)影響其識(shí)別結(jié)果和適用場景，不同分辨率下的影像識(shí)別適用場景和最小監(jiān)測面積見表1。根據(jù)表1可知，測繪面積較大的區(qū)域（省、市級(jí)監(jiān)測）可選取的監(jiān)測分辨率為1m～5m，測繪面積較小的區(qū)域（區(qū)、縣級(jí)監(jiān)測）可選取的監(jiān)測分辨率為0.5m～1m。

表1 影像識(shí)別適用場景和最小監(jiān)測面積

遙感影像的分辨率會(huì)影響測區(qū)地形地物監(jiān)測的精度。由于地形屬于變化監(jiān)測空間，因此其分辨率須小于3m，當(dāng)遙感影響的分辨率較高時(shí)，還需要通過編程獲取所需的影像，而不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型的編程價(jià)格及其數(shù)據(jù)可獲取性具有一定差異[1-3]。為選取合適的遙感測繪方案，需要控制其測繪成本，不同分辨率下的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型及其編程價(jià)格見表2。根據(jù)表2可知，衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型為WV01、WV02、WV03、Geo-Eye的遙感數(shù)據(jù)的分辨率最小，其值為0.5m～0.6m，并且編程價(jià)格較高，為220元，該衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型可保證1a獲取1期完整影像。衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型為planet的遙感數(shù)據(jù)的分辨率最大，其值為3m～5m，編程價(jià)格為16元，該衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型可滿足1a拍攝完成4期遙感影像。綜合以上分析，可采用planet衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)測區(qū)內(nèi)地形、地物進(jìn)行識(shí)別和檢測，在保證遙感識(shí)別準(zhǔn)確性的同時(shí)，還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型及其編程價(jià)格

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要通過采集測區(qū)地形、地物的影像來獲取該區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，并對(duì)其飛行質(zhì)量進(jìn)行分析。得到測繪影像數(shù)據(jù)后，采用Pix4D mapper version軟件對(duì)其進(jìn)行處理，并將其與無人機(jī)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，計(jì)算其測繪精度和平差。根據(jù)需要選擇像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，完成絕對(duì)定向，最終生成數(shù)字地表模型DSM和正射影像圖[4-5]。

為解決航空攝影測量外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的精度問題，采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)圖像和無人機(jī)航攝圖像對(duì)測區(qū)地形、地物進(jìn)行航拍和分析，所采用的無人機(jī)為目前主流的大疆公司生產(chǎn)的D2000四旋翼無人機(jī)平臺(tái)，相機(jī)外形尺寸為155mm×130mm×98mm。無人機(jī)平臺(tái)搭載了睿鉑DG4Pros全畫幅5鏡頭傾斜相機(jī)，前、后視鏡頭傾角為45°，左、右視鏡頭傾角為50°。該型號(hào)無人機(jī)具有起降方便、速度可調(diào)、安全穩(wěn)定、分辨力高和控制靈活等特點(diǎn)，能夠滿足高效的外業(yè)工作要求，能夠獲取大面積城市場景傾斜攝影數(shù)據(jù)。無人機(jī)傾斜技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 無人機(jī)傾斜技術(shù)參數(shù)

2.2 航空攝影測量外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)

為了滿足無人機(jī)傾斜攝影的精度要求，地面控制點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式獲得。該文提出了4種不同的外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案，以選取符合實(shí)際的最優(yōu)相控設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。其中，方案1在檢查點(diǎn)周圍的4個(gè)角點(diǎn)各設(shè)置了1個(gè)平面高程控制點(diǎn)，1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位于區(qū)域網(wǎng)中間位置；方案2設(shè)置了4個(gè)檢查點(diǎn)，5個(gè)平面高程控制點(diǎn)，其中4個(gè)平面高程控制點(diǎn)位于4個(gè)角點(diǎn)，1個(gè)平面高程控制點(diǎn)位于區(qū)域網(wǎng)中間位置，4個(gè)檢查點(diǎn)均勻布置在區(qū)域網(wǎng)中；方案3是在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密平面高程控制點(diǎn)，加密位置為區(qū)域網(wǎng)四邊中點(diǎn)位置；方案4是在方案1的基礎(chǔ)上設(shè)置了8條航線。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測量外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)

2.3 航空攝影測量數(shù)據(jù)處理

遙感影像可識(shí)別建筑物、植被、道路以及河湖水域覆蓋區(qū)域的各地形、地物邊界，檢測地形、地物變化。對(duì)其影像和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)全色圖像和DOM控制點(diǎn)，選取其控制點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行誤差檢查和校正模型檢查，篩除誤差較大的控制點(diǎn)，為保證平差計(jì)算的順利進(jìn)行，需要至少保留2個(gè)控制點(diǎn)。其次，根據(jù)多光譜影像，對(duì)其圖形進(jìn)行配對(duì)、融合及裁剪。最后得出地形地物的DOM影像，并結(jié)合遙感解譯標(biāo)志，對(duì)搜集到的圖像進(jìn)行實(shí)地調(diào)查完成勘測。

在進(jìn)行無人機(jī)航攝前，需要進(jìn)行相關(guān)準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)行航空攝影和像片控制測量，制作DEM、DOM圖像，檢查測繪質(zhì)量和測繪精度，最終對(duì)其測繪成果進(jìn)行整理，得出測繪報(bào)告。通過正射影像標(biāo)記地形、地物，并將其圖像與DOM進(jìn)行疊加，得出地形、地物統(tǒng)計(jì)表。根據(jù)初步測繪結(jié)果，對(duì)該測量區(qū)域進(jìn)行實(shí)地巡查，最終確定測量地形、地物的屬性。通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)圖像和無人機(jī)航攝圖像，即可得出地形、地物的位置坐標(biāo)、現(xiàn)象屬性和現(xiàn)象描述等信息，從而觀測不同外業(yè)像孔點(diǎn)布設(shè)方案的測繪精度。無人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)采集和處理流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

3 航空攝影測量數(shù)據(jù)精度分析

方案1～方案4的平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比如圖3～圖6所示，不同外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)的平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比見表4。從圖3～圖6可以看出，4種不同像控點(diǎn)布設(shè)方案所得平面殘差精度大致相同且誤差控制較好，均為0m～0.1m，能夠滿足規(guī)范中檢查點(diǎn)最大平面誤差小于0.175m的精度要求。4種不同像控點(diǎn)布設(shè)方案所得高程殘差精度差異較大，方案1的高程誤差為-1.030m～0.197m，最大誤差已經(jīng)不能滿足1∶10000精度的空三加密要求。與方案1相比，方案2在區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)部多設(shè)置了一個(gè)平面和高程控制點(diǎn)，由此所得高程殘差也相對(duì)穩(wěn)定，高程誤差為-0.480m～0.400m，改進(jìn)了方案1中高層殘差劇烈波動(dòng)的問題，波動(dòng)范圍也進(jìn)一步縮小，誤差控制較好。與方案1、方案2相比，方案3的像控點(diǎn)布設(shè)得到了進(jìn)一步加密，高程殘差有所提高，為-0.246m～0.050m。方案4按照低空攝影測量外業(yè)規(guī)范的要求，在航向16條基線、旁向8條航線的要求下布設(shè)平高控制點(diǎn)，該方案得到的平面殘差和高程殘差均是4個(gè)方案中最小的，高層誤差為-0.061m～0.077m，比方案3提升了一個(gè)量級(jí)。由此可知，增加像控點(diǎn)的數(shù)量在一定程度上可以改善平面精度和高程精度，像控點(diǎn)的布置方式對(duì)高程精度有較大影響。比較方案1和方案2可知，在區(qū)域網(wǎng)中心僅增加1個(gè)像控點(diǎn)，高程誤差就能得到幅度較大的收斂。

圖3 方案1平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比

圖4 方案2平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比

圖5 方案3平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比

表4 不同外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)的平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比

4 結(jié)論

該文以山東省煙臺(tái)市萊山區(qū)某試驗(yàn)測區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測手段研究外業(yè)像控點(diǎn)精度問題，設(shè)計(jì)了4種不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案，并研究各方案的測試精度，所得結(jié)論如下：1）提出以“遙感影像技術(shù)+無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)”的綜合試驗(yàn)方法進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)精度研究，利用D2000四旋翼無人機(jī)平臺(tái)搭載高清睿鉑DG4Pros全畫幅5鏡頭傾斜相機(jī)，對(duì)某測區(qū)進(jìn)行傾斜航攝，并獲取測區(qū)平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)。2）4種不同像控點(diǎn)布設(shè)方案得到的平面殘差精度大致相同且誤差控制較好，均為0m～0.1m，能夠滿足規(guī)范中檢查點(diǎn)最大平面誤差小于0.175m的精度要求。3）增加像控點(diǎn)的數(shù)量在一定程度上可以改善平面精度和高程精度，像控點(diǎn)的布置方式對(duì)高程精度有較大影響，比較方案1和方案2可知，在區(qū)域網(wǎng)中心僅增加1個(gè)像控點(diǎn)，高程誤差就能得到幅度較大的收斂。

圖6 方案4平面殘差精度與高程殘差精度對(duì)比