后差分技術(shù)及像控點密度對無人機攝影測量精度影響研究

陳鵬飛,胡海峰,廉旭剛,杜永軍

(1. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2. 中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

后差分技術(shù)及像控點密度對無人機攝影測量精度影響研究

陳鵬飛1,胡海峰1,廉旭剛1,杜永軍2

(1. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2. 中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

基于Inpho攝影測量軟件對比分析后差分、單點定位的無人機影像數(shù)據(jù)，在密集像控點、稀疏像控點條件下的DOM精度及DEM精度。在1 km2的試驗區(qū)布設(shè)68個像控點及檢查點，通過調(diào)整參與計算的像控點數(shù)量及布設(shè)位置，采用檢查點對生成的DOM及DEM精度進行驗證。通過試驗發(fā)現(xiàn)，基于后差分技術(shù)及對控制點的合理布設(shè)對無人機攝影測量成果精度的提高具有顯著效果。本次試驗，最高精度達到平面±4 cm，高程±9 cm。因此，后差分技術(shù)及合理像控點布設(shè)對于大比例無人機數(shù)字測圖具有重要的意義。

后差分；像控點；空三加密；Inpho；DEM；DOM

目前，無人機低空遙感數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)已經(jīng)成為獲取地形測量數(shù)字成果的重要手段之一。但是由于其質(zhì)量輕、體積小，而且攜帶的是非量測型相機，因此影響數(shù)字成果的因素眾多：①在后差分技術(shù)對其影響方面，基于后差分的POS輔助定向技術(shù)即全球定位技術(shù)及慣性導(dǎo)航測量裝置，使得無人機攝影裝置能夠獲得比常規(guī)POS輔助定向技術(shù)更準確的曝光時刻的外方位元素[1]。②在像控點布設(shè)對其影響方面，采用傳統(tǒng)的攝影測量布點方式，不但增加控制點數(shù)量，而且實施起來比較困難，因此，不能對無人機影像完全使用傳統(tǒng)航測布設(shè)方式[2]?；谏鲜鲆蛩貙?shù)字成果的精度影響，本文將這些因素進行了整體性分析，以航空攝影測量外業(yè)控制點布設(shè)方案對空三加密的精度影響為主要試驗內(nèi)容，通過不同數(shù)據(jù)源、不同像控點布設(shè)方案依托Inpho攝影測量工作站對試驗區(qū)進行航飛數(shù)據(jù)獲取與處理，得到該區(qū)的DOM、DEM數(shù)字產(chǎn)品，通過野外實測檢查點對其空三成果及數(shù)字產(chǎn)品的精度進行對比分析，得出這些因素對數(shù)字產(chǎn)品的影響程度，以期為無人機低空遙感數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用提供參考。

1 無人機低空攝影測量數(shù)字成果獲取

1.1 數(shù)據(jù)源獲取

試驗區(qū)域選取在太原理工大學(xué)明向校區(qū)，測區(qū)呈規(guī)則矩形，面積約1.05 km2，平均海拔810 m，測區(qū)的東區(qū)和北區(qū)高樓和道路密集，其他區(qū)域地勢較平坦，布設(shè)像控點比較方便。數(shù)據(jù)獲取基于兩種不同飛行平臺，對太原理工大學(xué)明向校區(qū)進行航飛，兩個飛行平臺采用同一種非量測型數(shù)碼相機，數(shù)據(jù)源Ⅰ采用了后差分技術(shù)，數(shù)據(jù)源Ⅱ采用常規(guī)航測手段。兩套數(shù)據(jù)源參數(shù)見表1。

表1 數(shù)據(jù)源參數(shù)

1.2 控制點布設(shè)方案設(shè)計

控制點數(shù)量及布設(shè)位置的不同對空三加密精度影響的研究表明，控制點的減少會影響空三加密的精度，但并不是控制點的密度越大越好[3-4]，本文采用了兩套比較典型的控制點布設(shè)方案，利用RTK共采集68個外業(yè)控制點。

(1) 布設(shè)方案1：區(qū)域網(wǎng)四周邊及中心線處布設(shè)平高點?？紤]到本測區(qū)為較規(guī)則矩形區(qū)域，在矩形的4個角點、4條邊中心處及矩形中心位置共布設(shè)9個點，形成規(guī)則的9點法，其余59個點均為精度檢查點。布設(shè)方案1如圖1所示。

圖1 布設(shè)方案1

(2) 布設(shè)方案2：區(qū)域網(wǎng)4周邊及中心線處布設(shè)平高點控制點，4角呈點組式布點并且都是平高點，在區(qū)域中心周圍均勻加布高程點，即在第一種布設(shè)方案的基礎(chǔ)上增加8個點，其余51個點均為精度檢查點。布設(shè)方案2如圖2所示。

圖2 布設(shè)方案2

2 Inpho平臺數(shù)據(jù)處理

Inpho是一款專業(yè)的無人機影像處理軟件，其DOM及DEM都是以空三加密為基礎(chǔ)，依托Applications Master基礎(chǔ)平臺，利用Match-AT自動空中三角測量加密模塊、inBLOCK區(qū)域網(wǎng)平差模塊、Match-T DSM自動提取地形地表模塊、DTMMaster DTM/DSM編輯模塊、OrthoMaster正射糾正模塊及OrthoVista鑲嵌勻色等模塊，可為無人機低空攝影測量數(shù)據(jù)提供高精度的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理[5-7]。

數(shù)據(jù)的處理過程為首先對原始影像進行預(yù)處理，包括影像的勻光、勻色、畸變處理；然后是光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量，依托Applications Master平臺建立項目，導(dǎo)入畸變后影像、POS文件、控制點文件，并自動生成航帶；為影像創(chuàng)建金字塔，基于影像金字塔逐級細化的影像分級匹配策略進行影像匹配，可以得到可靠性好、精度高的同名像點。利用Match-AT空中三角測量加密模塊進行連接點的自動提取和區(qū)域網(wǎng)平差，接著刪除殘差較大的連接點，而后進行控制點和檢查點量測，再進行光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，查看其殘差并進行爭議點編輯，如此反復(fù)直到殘差落入允許范圍內(nèi)；利用Match-T DSM模塊自動提取地形地表模型，由于生成的DTM更趨向于DSM，因此在DTM/DSM Editor中要對DTM進行編輯，使其與實際地形一致，由此生成DEM；在OrthoMaster正射糾正模塊引入生成的DEM進行單張影像正射糾正生成單張正射瓦片，在OrthoVista中智能鑲嵌出初始DOM，編輯DOM、調(diào)整鑲嵌線完成DOM制作。

3 各方案數(shù)字成果精度對比分析

3.1 空三加密成果精度分析

空中三角測量區(qū)域網(wǎng)平差后的定向點和檢查點實際精度是通過野外實測檢查點進行評定，計算由解算出的外方位元素與檢查點的像點坐標所求出檢查點地面坐標的解算值與實測坐標的差值，其差值認為是真誤差，根據(jù)式(1)求出中誤差[8-10]，結(jié)果見表2。

(1)

式中，σX、σY為點在X、Y方向的中誤差;σZ為點的高程中誤差;σXY為點的平面中誤差；Χ檢、Y檢、Z檢為檢查點的實測坐標值;X解、Y解、Z解為檢查點經(jīng)過空三解算后的結(jié)算值。

表2 不同數(shù)據(jù)源不同布設(shè)方案空三精度

根據(jù)不同數(shù)據(jù)源、不同布設(shè)方案空三結(jié)果分析：數(shù)據(jù)源Ⅰ的定向點與檢查點中誤差普遍小于數(shù)據(jù)源Ⅱ，數(shù)據(jù)源Ⅰ的平面中誤差較數(shù)據(jù)源Ⅱ可以提高2倍以上，高程中誤差則可以提高2倍以上，這是由于數(shù)據(jù)源Ⅰ采用了后差分技術(shù)，其所用的POS是經(jīng)過差分軟件的處理并解算出相機曝光時刻準確的經(jīng)緯度和橢球高，因此數(shù)據(jù)源Ⅰ的精度會高于數(shù)據(jù)源Ⅱ；隨著控制點布設(shè)數(shù)量的增加和類型的變化，空三平面中誤差變化不大，這是由于方案1的九點已經(jīng)可以將平面精度控制到很好的程度，但是對于高程有顯著提升，最小提高到2倍以上。在利用差分技術(shù)和合理布設(shè)像控點的基礎(chǔ)上，本試驗空中三角測量的平面和高程精度能夠滿足《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236—2009)[11]1∶500要求。

3.2 DEM成果精度對比

經(jīng)過編輯后的DEM精度驗證是通過野外實測檢查點進行評定，在ArcGIS中提取檢查點在DEM中對應(yīng)的高程值并同實測高程值進行比較得出整個圖幅中誤差[12]，由式(2)計算求得，結(jié)果見表3。

(2)

式中，M為DEM高程中誤差；Δ為DEM檢查點高程提取值與實測值較差；n為檢查點個數(shù)。

表3 不同數(shù)據(jù)源不同布設(shè)方案DEM精度

根據(jù)不同數(shù)據(jù)源不同布設(shè)方案DEM精度統(tǒng)計結(jié)果分析：統(tǒng)計結(jié)果與空三結(jié)果很接近，由于數(shù)據(jù)源Ⅰ采用了后差分解算結(jié)果，其中誤差要比數(shù)據(jù)源Ⅱ小，數(shù)據(jù)源Ⅰ較數(shù)據(jù)源Ⅱ提高了至少3倍；受到方案2控制點的變化，檢查點中誤差有明顯的減小，可以提高2倍以上。本試驗得出，利用差分技術(shù)及合理的控制點布設(shè)其所生產(chǎn)的DEM精度可以達到《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字高程模型》(CH/T 9008.2—2010)[13]1∶500要求。

3.3 DOM成果精度對比

DOM的精度是通過野外實測檢查點進行評定，利用ArcGIS在正射影像圖上提取出檢查點的坐標，與實測值進行比較求取平面位置中誤差[14]，由式(3)求得平面中誤差。DOM中誤差統(tǒng)計結(jié)果見表4。

(3)

式中，σX、σY為DOM檢查點在X、Y方向的中誤差；σXY為DOM檢查點的平面中誤差；X提、Y提為從DOM提取的檢查點坐標；X實、Y實為檢查點實測坐標。

表4 不同數(shù)據(jù)源不同布設(shè)方案DOM精度

根據(jù)不同數(shù)據(jù)源不同布設(shè)方案DOM統(tǒng)計精度分析：由于受到后差分技術(shù)及所生成的DEM影響，數(shù)據(jù)源Ⅰ的DOM點位中誤差比數(shù)據(jù)Ⅱ小。本文設(shè)計下控制點方案的變化對DOM精度影響趨勢較平緩，這是由于方案1控制點的布設(shè)方法已經(jīng)足夠控制整幅圖的平面精度，并能夠滿足《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》(CH/T 9008.3—2010)[15]1∶500要求。

4 結(jié) 語

本文以太原理工大學(xué)明向校區(qū)為航飛區(qū)域，利用后差分技術(shù)與常規(guī)航測技術(shù)兩種方法對其進行數(shù)據(jù)獲取，分別布設(shè)了兩套不同控制點方案，并對比分析了不同數(shù)據(jù)源不同控制點方案制作的數(shù)字成果精度。結(jié)果表明：

(1) 數(shù)據(jù)源Ⅰ由于利用后差分手段，其精度較數(shù)據(jù)源Ⅱ有顯著提升，無論是對于平面還是高程其精度最少有2倍的提升，其中，空三平面最高精度可以達到±6 cm、高程最高可以達到±8 cm，DEM精度可以達到±9 cm，DOM精度可以達到±4 cm。

(2) 隨著設(shè)計控制點的增多與布設(shè)位置的調(diào)整，平面精度變化趨勢較平緩，但高程中誤差可以提升2倍，變化較顯著。

(3) 影響DEM與DOM精度的因素有差分技術(shù)的引用、控制點布設(shè)方案的選取。從兩個影響因素的影響程度看來，差分技術(shù)的引用較本文設(shè)計下的控制點方案對其精度提升效果更顯著。

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OnInfluenceofPost-processedDifferenceTechniqueandImageControlPointDensityonUAVPhotogrammetryAccuracy

CHEN Pengfei1,HU Haifeng1,LIAN Xugang1,DU Yongjun2

(1. School of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. China Energy Construction Group Shanxi Electric Power Survey and Design Institute Co. Ltd., Taiyuan 030001, China)

Based on the Inpho photogrammetry software, the DOM precision and DEM precision of the UAV image data of post-processed difference and point positioning under the condition of dense image control points and sparse image control points are compared and analyzed. In the test area of 1 km2, 68 image control points and check points are laid. By adjusting the number and layout position of image control points of the involved calculation, the inspection points are used to verify accuracy of the generated DOM and DEM. Through the experiment, it is found that the accuracy of UAV photogrammetry results is improved remarkably based on the post-processed difference technique and the reasonable layout of the control points. In this experiment, the highest precision reaches the plane ±4 cm and the elevation is ±9 cm. Therefore, post-processed differencing technique and reasonable image control point layout are of great significance for large scale UAV digital mapping.

post-processed difference；image control point；aerial triangulation；Inpho；DEM；DOM

陳鵬飛,胡海峰,廉旭剛,等.后差分技術(shù)及像控點密度對無人機攝影測量精度影響研究[J].測繪通報，2017(11)：144-147.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0365.

P23

A

0494-0911(2017)11-0144-04

2017-07-13；

2017-09-18

國家自然科學(xué)基金(51574132)

陳鵬飛(1990—)，男，碩士生，主要研究方向為開采沉陷與變形監(jiān)測。E-mail:644439661@qq.com

廉旭剛。E-mail:lianxugang@tyut.edu.en