無地面控制的差分GNSS輔助無人機航攝DOM制作精度分析

龔緒才 周力 陳宏 陳曉江

摘 要：快速制作符合精度要求的無人機DOM影像工作底圖是當(dāng)前地理國情監(jiān)測、農(nóng)經(jīng)權(quán)確權(quán)等重大項目的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。為了確保精度和可靠性，不管在相應(yīng)規(guī)范還是實踐作業(yè)中，都需要大量布置野外像控點，在云南這樣的高原多山省份，野外像控作業(yè)非常困難，精度也不能完全得到保障。本文利用無人機差分GNSS數(shù)據(jù)，對某一大高差，高植被覆蓋的測區(qū)進(jìn)行了無地面控制的DOM精度評估，結(jié)果表明在適當(dāng)控制基站距離情況下，成果符合當(dāng)前有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：DOM；精度評估；差分GNSS；無人機航攝

高效快速地制作符合精度需求的無人機DOM影像工作底圖是地理國情監(jiān)測、農(nóng)經(jīng)權(quán)確權(quán)、地籍調(diào)查、基礎(chǔ)測繪等項目的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。由于目前無人機航攝系統(tǒng)存在體積小、重量輕、飛行穩(wěn)定性相對較差、相機物鏡畸變嚴(yán)重、部分影像可能比較模糊、相機為非量測型相機，單位面積影像數(shù)目多；不論是影像空三、DEM生成、DOM影像制作，都比大飛機航攝要困難，尤其是在云南這樣的高原多山省份，還存在著地形高差變化劇烈、高地表植被覆蓋等許多現(xiàn)實的困難。為了確保精度和可靠性，不論是相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還是生產(chǎn)實踐作業(yè)中，都需要大量布置野外像控點；但是在地形地表復(fù)雜地區(qū)，野外像控作業(yè)不僅低效困難而且充滿危險，即便實測了一些點位，精度和可靠性也不能完全得到保障，且時間成本、經(jīng)濟(jì)成本、人力成本都比較高[1][2]。

目前差分GNSS技術(shù)發(fā)展迅速，都已全面兼容GPS、BDS和GLONASS，設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)微小型化，可以比較輕地松搭載在無人機航攝系統(tǒng)上，性價比適中，基本能滿足了無人機差分GNSS輔助空三和DOM制作的需求。

為了評估無人機差分GNSS輔助空三和DOM制作的精度，本文選擇寧洱某一測區(qū)作為試驗區(qū)，利用地面實測的像控點作為檢查點，分別對無地面控制的空三和其制作的DOM精度進(jìn)行了檢測。

一、試驗概況

測試測區(qū)位于寧洱縣德化鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于典型的亞熱帶山區(qū)，植被覆蓋度很高，高差大約500米，如圖1所示。無人機采用DM-150型油動無人機，該型飛機有較強的續(xù)航能力和抗風(fēng)能力，起降方式靈活，對地形適應(yīng)性強，比較適合在云南高原多山地區(qū)飛行。相機采用Canon 5D Mark III 28毫米數(shù)碼單反相機，平均航高約700米，平均分辨率大約0.16米，航向至少65%重疊，旁向至少30%重疊。測區(qū)地表森林覆蓋率很高，色調(diào)明顯偏綠，受飛行時天氣影響，云影現(xiàn)象比較明顯[3]。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷囊巴庀窨刈鳂I(yè)困難地區(qū)，利用普洱CORS網(wǎng)絡(luò)，在測區(qū)測得16個像控點，均作為檢查點。由于通信、地形等原因，該區(qū)域CORS網(wǎng)絡(luò)RTK所測點坐標(biāo)精度大約為20厘米，基本能滿足1：2000像控精度要求。

鑒于該區(qū)域像控作業(yè)比較困難，采用武漢際上導(dǎo)航開發(fā)的GeoSUN AG200機載GNSS接收機，地面基站為中海達(dá)三星多頻接收機，采樣頻率1Hz，均同時采集GPS，GLONASS和北斗數(shù)據(jù)。采用動態(tài)后差分卡爾曼雙向濾波算法，動態(tài)解算出每一歷元下的坐標(biāo)。根據(jù)相機曝光時刻的時間內(nèi)插出各曝光點的三維坐標(biāo)。地面基站的起算坐標(biāo)由像控作業(yè)時由RTK一道采集，確保曝光點坐標(biāo)同像控檢查點坐標(biāo)處于同一坐標(biāo)系下，相機曝光點坐標(biāo)的相對精度大約為10厘米。AG200機載接收機和動態(tài)差分解算軟件示意圖如圖2所示。

二、空三分析

針對測區(qū)數(shù)據(jù)實際情況，本文采用計算機視覺結(jié)合攝影測量的方式，選用PhotoScan + MATCH-AT進(jìn)行無人機影像的空三。充分發(fā)揮了計算機視覺匹配能力強、處理效率高和攝影測量數(shù)學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密，量測功能豐富的優(yōu)點，利用后差分解算得到的曝光點坐標(biāo)作為外方位線元素約束，進(jìn)行了無像控模式下的空三平差解算，所有的16個像控點均作為空三加密檢查點。測區(qū)影像重疊關(guān)系、連接點分布以及空三加密檢查點分布如圖3所示（部分點位為雙點布設(shè)）。從圖3可以看出，測區(qū)內(nèi)部重疊度較高，連接點密度分布均比較理想，檢查點由于地形和森林覆蓋等原因，分布不是特別均勻。

圖4為測區(qū)連接點連接關(guān)系示意圖，從連接點的連接關(guān)系來看，影像重疊度大和地物特征明顯地區(qū)，連接關(guān)系比較密集和牢固，森林地區(qū)連接點相對較少，且連接關(guān)系相對稀疏。

圖5為空三加密檢查點平面和高程的誤差分布示意圖，其中平面中誤差為0.62米，高程中誤差為0.53米，滿足GB/T 23236-2009 《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》對1：2000山地影像的要求。

圖6為空三加密過程中攝站位置的平面和高程殘差，二者均未發(fā)現(xiàn)明顯的系統(tǒng)性殘差趨勢；圖7則為攝站平面及高程的誤差橢圓示意圖，除測區(qū)邊緣外，誤差橢圓大小均接近一致，均接近圓；圖8為測區(qū)內(nèi)連接點的平面和高程誤差橢圓示意圖，除測區(qū)邊緣外，測區(qū)內(nèi)部誤差橢圓大小均比較一致（部分位于森林區(qū)域的點稍大），均無明顯的方向。從圖6、7和8說明，測區(qū)內(nèi)部精度分布相對比較均勻，連接關(guān)系穩(wěn)健，空三精度相對較好。

三、立體模型檢查

為了進(jìn)一步說明無地面控制的差分GNSS空三平差的精度，將平差結(jié)果導(dǎo)入立體量測環(huán)境，觀察立體效果，如圖9所示，立體效果明顯，無明顯的上下視差[4]。

然后選取基高比滿足要求立體模型，由雙像空間前方交會出檢查點在這些立體模型下的的坐標(biāo)，對比檢查點的實測坐標(biāo)，統(tǒng)計分析檢查點的精度，如表1所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，在立體模型下，明顯地物點點位精度基本滿足CH/T 9008.1-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1：500、1：1000、1：2000數(shù)字線劃圖》的精度要求[6]。

四、DOM精度檢查

空三結(jié)束后，制作了無地面控制的差分GNSS輔助制作的DOM，在ArcGIS環(huán)境下，根據(jù)數(shù)字刺點片的位置描述，在DOM上采集檢查點的坐標(biāo)，并和實測坐標(biāo)比較，統(tǒng)計分析了地面點的坐標(biāo)精度，如表2；圖10為DOM上檢查點誤差分布示意圖（圖中間部分為屋角點，受房屋投影差的影響，誤差較大，在DOM精度統(tǒng)計中未納入統(tǒng)計分析，其余點均為地面點）。

初步結(jié)果表明，DOM精度大約為GSD（地面采樣率）的3-4倍，完全滿足CH/T 9008.3-2010 《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1：500、1：1000、1：2000數(shù)字正射影像圖》關(guān)于DOM精度不大于圖上0.8毫米的規(guī)定，也就是1.6米[5]。

五、總結(jié)

本文從影像空三、立體模型檢查、DOM檢查等多個方面對無地面控制的差分GNSS輔助空三制作的DOM進(jìn)行了精度分析和檢測，結(jié)果表明對于山區(qū)1：2000 DOM影像而言，這種方法制作的DOM完全滿足相關(guān)規(guī)范的要求，且尚有較大的精度余地，對于減少野外像控作業(yè)，提高作業(yè)效率大有幫助，差分GNSS輔助空三將是一種很有潛力的技術(shù)手段。

但是也應(yīng)該看到該試驗測區(qū)檢查點分布較少且不是很均勻，精度檢測結(jié)果還不能完全說明問題，還只是比較初步的精度驗證結(jié)果，還有一些問題還需要進(jìn)一步深入研究，目前已準(zhǔn)備進(jìn)行更為嚴(yán)格和嚴(yán)密的測試。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫杰，林宗堅，崔紅霞.無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)[J].遙感信息，2003，（1）：49—50.

[2]范承嘯，韓俊，熊志軍，趙毅.無人機遙感技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2009（05）.

[3]張旭.CH/Z 3005—2010.低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[S].北京：國家測繪局.2010.

[4]張旭.CH/Z 3003—2010.低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京：國家測繪局.2010.

[5]田文斌.CH/Z 9008.3—2010.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1：500，1：1000，1：2000數(shù)字正射影像圖[S].北京：國家測繪局.2010.

[6]田文斌.CH/Z 9008.1—2010.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1：500、1：1000、1：2000數(shù)字線劃圖[S].北京：國家測繪局.2010.