基于方格網(wǎng)算法的無人機(jī)航攝成圖精度研究

萬義有,李勇華

(江西有色地質(zhì)勘查三隊(duì),江西 新余 338000)

低空航拍高分辨率影像和實(shí)地點(diǎn)觀測是現(xiàn)代大比例地形圖制作的關(guān)鍵,其成圖效率和精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的全站儀、水準(zhǔn)儀[1]。近年來,無人機(jī)航拍攝影與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合,不斷推出三維模型地圖產(chǎn)品,在城市應(yīng)急、森林防火、規(guī)劃建設(shè)等方面發(fā)揮了不可忽視的作用。如今,無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在大比例測圖中的應(yīng)用越來越廣泛,其成圖精度問題也得到了業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。目前,已有大量學(xué)者從像控點(diǎn)數(shù)量、航攝系統(tǒng)優(yōu)化、空中三角形加密算法等方面對其精度的提高進(jìn)行了研究[2]。然而,針對傾斜攝影三維模型高程精度的研究還不充分。為此,本文針對大比例地形圖三維模型高程擬合問題進(jìn)行了深入研究,提出了方格網(wǎng)擬合算法,減少了對實(shí)地觀測點(diǎn)的依賴,降低了高程擬合的誤差。

1 方格網(wǎng)算法的原理分析

方格網(wǎng)是工程制圖的基本概念,常常以正方形、長方形的形式對平面控制網(wǎng)進(jìn)行劃分,以便得到計(jì)算處理最小單元[3]。在在地形圖的制作過程中,方格網(wǎng)常常成為矢量文件的劃分單元,通過一定算法要求對各個方格內(nèi)部的數(shù)據(jù)點(diǎn)屬性進(jìn)行統(tǒng)一處理和編輯。方格網(wǎng)的用處比較多,包括：在矢量文件柵格化處理中,以方格網(wǎng)為基礎(chǔ),將圖形的各部分轉(zhuǎn)化為柵格像元,從而達(dá)到柵格化目的；在進(jìn)行土方量計(jì)算、圖形面積計(jì)算中,借助方格網(wǎng)的面積、體積,按照“四舍五入”的原則進(jìn)行加和計(jì)算,得到結(jié)果；在高程加密中,以方格網(wǎng)估算距離,進(jìn)行差值,得到不同密度的高程網(wǎng)。

方格網(wǎng)算法則是在方格網(wǎng)的基礎(chǔ)上,以方格為處理單位,對方格內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行平均化處理。以高程擬合應(yīng)用為例,在處理(X,Y,Z)格式數(shù)據(jù)點(diǎn)時,在(X,Y)構(gòu)成的平面上生成單位長度的方格,形成方格網(wǎng),而每個方格的高程值采用方格內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程平均值。如此一來,同一方格內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值得到了平均化處理,大大規(guī)避了個別高程值對整個高程擬合的偏離影響,減少了局部錯誤,提高了整體的高程擬合效果。

2 無人機(jī)航攝成圖的工作流程

圖1 無人機(jī)航攝成圖的工作流程圖

無人機(jī)航攝成圖包含著外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分工作[4],結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn),其主要工作流程步驟如圖1所示。首先,根據(jù)測區(qū)面積、形狀以及無人機(jī)持續(xù)飛行能力,制定飛行方案,確定航帶方向、航帶數(shù)量；然后,對測區(qū)進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè),選定明顯特征點(diǎn)觀測,得到一系列像控點(diǎn)；接著,對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,調(diào)整影像的角度、格式、存儲方式；將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行空中三角形加密處理,得到自動化處理模型；最后通過方格網(wǎng)算法對三維模型的高程進(jìn)行精度優(yōu)化和模型調(diào)整,得到最終的高程產(chǎn)品。

3 無人機(jī)航攝成圖的精度控制

3.1 三維模型制作過程高程誤差控制

為了進(jìn)一步控制高程誤差,本文還從以下2個方面對三維模型的高程誤差進(jìn)行了控制：第一：利用POS,剔除模糊影像。在進(jìn)行三維模型處理前,將受光線、拍攝角度偏差、光照強(qiáng)度差異等因素影響的劣質(zhì)影像進(jìn)行剔除,避免質(zhì)量差影像數(shù)據(jù)信息對整個三維模型擬合的干擾。第二：像控點(diǎn)多余觀測,提高匹配精度[5]。根據(jù)測量區(qū)域的特點(diǎn),在原像控點(diǎn)布設(shè)方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了二次布設(shè),對高程變化劇烈、地物復(fù)雜、地物位置干擾大的區(qū)域進(jìn)行了加密布設(shè)。多余的像控點(diǎn)觀測增加了光束法區(qū)域網(wǎng)平差的限制,使得空中三角形加密匹配精度得以提高。

3.2 方格網(wǎng)算法對高程擬合精度的控制

方格網(wǎng)算法在對三維高程擬合的過程中,對高程精度的控制體現(xiàn)在兩個方面：第一：將采用單一高程點(diǎn)值進(jìn)行擬合處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎梅礁窀叱厅c(diǎn)平均值擬合,避免了單一高程點(diǎn)偏離實(shí)際位置造成的精度影響；第二：在高程擬合過程中,將多個格網(wǎng)的數(shù)據(jù)運(yùn)用到高程差的估算,使得高程產(chǎn)品差值的高程數(shù)據(jù)更加精確,尤其在地物復(fù)雜多變的區(qū)域中,方格網(wǎng)算法能夠很好的發(fā)揮小范圍高精度擬合優(yōu)勢。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 測區(qū)概況

本文選取了新余市渝水區(qū)某測區(qū),距離市中心約20km,總面積94km2,包含了丘陵、山區(qū)、半山區(qū)等典型地形,整個測區(qū)高程差超過100m,因此,高程誤差不得忽視。本次采用了CGCS2000平面坐標(biāo)系,1985國家高程基準(zhǔn),對人工實(shí)測困難、地形十分復(fù)雜的部分進(jìn)行了方格網(wǎng)算法擬合。

4.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

外業(yè)采用四旋翼型無人機(jī)系統(tǒng),采用五鏡頭傾斜相機(jī),將整個區(qū)域分為兩部分,8個航帶進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集；在墻角、路口以及具有明顯區(qū)分性地點(diǎn)進(jìn)行RTK實(shí)測,一部分用于高程擬合計(jì)算；另一部分用于擬合效果監(jiān)測計(jì)算；內(nèi)業(yè)采用Smart3D二次開發(fā)程序初步生成三維影像圖,采用DP-Modeler進(jìn)行方格網(wǎng)算法高程擬合,對三維影像模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

4.3 數(shù)據(jù)處理過程

首先,采用Smart3DCapture三維處理軟件處理,導(dǎo)入像控點(diǎn)、刺點(diǎn)約束數(shù)據(jù),進(jìn)行空中三角形解算,查看空三關(guān)系模型有無明顯錯誤；然后,運(yùn)用瓦片技術(shù)進(jìn)行三維重建,得到初步三維模型；最后,將空三結(jié)果導(dǎo)入到DP-Modeler軟件中,在此軟件下,運(yùn)用方格網(wǎng)算法,對三維模型的高程進(jìn)行矢量化處理,得到三維模型一系列的高程值。

4.4高程擬合精度分析

為了驗(yàn)證方格網(wǎng)算法在三維模型高程誤差約束中的作用,選取了測區(qū)內(nèi)的部分點(diǎn)通過與實(shí)測數(shù)據(jù)對比,進(jìn)行了精度統(tǒng)計(jì),得到表1結(jié)果。

表1 測區(qū)內(nèi)擬合高程與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較

基于高程中誤差公式,對37點(diǎn)高程差進(jìn)行求解,得到中誤差為0.24m,其中最大高程誤差為0.529m,最小高程誤差為0.033m。結(jié)合表1部分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出,方格網(wǎng)算法對高程誤差的約束有著明顯效果,高程誤差都在1∶2000大比例地形圖的誤差標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文通過對無人機(jī)航攝成圖三維模型高程誤差約束的研究,提出了方格網(wǎng)高程擬合算法,以方格為單位,將高程值平均化,大大降低了單一高程值點(diǎn)誤差對整個高程網(wǎng)擬合的精度影響,實(shí)驗(yàn)證明,此方法是有效的,具有一定的推廣價值。