無人機傾斜攝影測量中的像控點布設(shè)方案優(yōu)化研究

聞彩煥

（河北省地質(zhì)測繪院 河北，廊坊，065000）

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項航測新技術(shù)，具有快速、高效、成本低等特點。目前，國內(nèi)外已有多家企業(yè)和單位研究了傾斜攝影測量自動化三維建模技術(shù)，取得了巨大的成果，如Context Capture、Street Factory、Pix4DMapper、Agisoft Photoscan、 Skyline PhotoMesh、 PhotoMetric、SkyPhoto、SmartDPS等。

基于傾斜攝影測量實景三維模型形成的各類數(shù)據(jù)成果已在各行各業(yè)中得到了廣泛的應用[1]-[7]，如規(guī)劃設(shè)計、古建筑測繪、應急指揮、電力選線、景區(qū)展示、城鎮(zhèn)地籍、房產(chǎn)測繪、智慧城市等。

從像控點布設(shè)、無人機傾斜攝影、空中三角測量、實景三維模型建立、空間信息采集整個無人機傾斜攝影測量過程中，像控點布設(shè)是一項重要環(huán)節(jié)，也是外業(yè)成本投入比較大的部分，直接影響到空中三角測量精度、實景三維模型精度以及空間信息采集精度，從而影響到后期的數(shù)字產(chǎn)品。

目前有學者針對傾斜攝影測量中像控點布設(shè)方法做了研究[8]-[15]，然而只是在單一分辨率、單一比例尺地形圖下進行的研究，沒有推廣性。本文利用傾斜攝影測量技術(shù)獲取多分辨率傾斜攝影影像，采用不同像控點布設(shè)密度方式進行空中三角測量、建立實景三維模型、空間信息采集，通過對比、統(tǒng)計、分析不同分布方案對空中三角測量精度、模型精度、空間信息精度的影響，從而得出了在不同影像分辨率下像控點布設(shè)方案，為不同比例尺地形圖測繪、地籍測繪、房產(chǎn)測繪提供建議和指導。

1 像控點布設(shè)原則

像控點布設(shè)的一般原則為：

布設(shè)方式：航攝前布設(shè)地面標志，以提高刺點精度，增強外業(yè)控制點的可靠性[16]。

布設(shè)模式：均勻分布、格網(wǎng)布設(shè)。

布設(shè)位置：沒有遮擋的、影像清晰的目標；盡量是平整、水平的，不要選有高差的斜坡上；易于識別的細小線狀地物交點、明顯地物拐角點，如道路交角；與周圍環(huán)境色差小、與地面有高差、成像不清晰等可能引起刺點誤差的，均不能作為像控點；像控點點位應具備適宜的GPS的觀測環(huán)境，避開大功率電磁輻射裝備，避開大面積水面。

布設(shè)標志：利用制作好的標志進行布設(shè)。每次做完像控點拍2-4張不同視點的照片，照片中有參照物，以便內(nèi)業(yè)定位準確。

2 試驗數(shù)據(jù)情況

2.1 研究區(qū)域

試驗區(qū)域位于廊坊市某城鎮(zhèn)，測區(qū)面積大概3平方公里，地貌平坦，起伏不大，水系、交通、居民地、管線、植被等地物要素類型豐富。

2.2 像控點布設(shè)

按照前述的像控點布設(shè)原則進行布設(shè)，布設(shè)模式為采用航向、旁向150m布設(shè)的格網(wǎng)布局模式，共布設(shè)像控點172個。像控點平面控制測量坐標系統(tǒng)為CGCS2000國家大地坐標系，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準。

像片控制點的測量使用河北省衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)（CORS），儀器使用Trimble公司的R8雙頻GPS接收機，腳架對中，采用GNSS-RTK技術(shù)進行施測，平面和高程同時測定，觀測兩測回，兩測回結(jié)果取平均值作為像控點測量最終成果。

2.3 多角度影像獲取情況

采用搭載五臺4240萬像素傳感器傾斜相機的多旋翼無人機進行傾斜攝影。根據(jù)區(qū)域的形狀和范圍，航線按東西方向、不同高度進行航攝，共計飛行31架次，獲取傾斜影像如表1所示。

表1 傾斜影像數(shù)據(jù)

2.4 空中三角測量

內(nèi)業(yè)通過像控點的抽稀、刪減等，分別按照150米、300米、450、600米的布設(shè)距離進行不同分辨率、不同布設(shè)方案的空中三角測量。

像控點量測，即刺點環(huán)節(jié)。為保證空三精度，確保像控點所在像片清晰，像控點位置接近于像片中心，每個像控點分布在不同視角，每個視角至少3個以上像片進行刺點。區(qū)域網(wǎng)平差計算結(jié)束后，輸出共計16種方案的空中三角測量精度報告。

2.5 實景三維模型與空間信息采集

分別進行不同試驗方案的三維模型重建工作。利用ContextCapture軟件系統(tǒng)建立16種方案的實景三維模型。基于OSGB實景三維模型和DOM影像，利用清華山維EPS2008采編一體化三維測圖系統(tǒng)進行空間信息采集。

空間信息采集的對象主要包括建筑物、道路、獨立地物的平面位置和高程。

3 統(tǒng)計結(jié)果與分析

3.1 空中三角測量精度分析

平差計算后，連接點的重投影差都在1個像素內(nèi)。控制點整體中誤差都在1個像素內(nèi)，見表2。從表2可以看出，分辨率在2cm（含）以內(nèi)，隨著像控點密度的稀疏，空三加密精度降低，像控點布設(shè)距離為150米時精度最高。分辨率為3cm時候，像控點的稀疏和空三加密精度呈現(xiàn)相反關(guān)系，即隨著像控點密度的稀疏，空三加密精度反而有所增加，像控點布設(shè)距離為300-450米基本穩(wěn)定。5cm時，隨著像控點密度的稀疏，空三加密精度反而增高，像控點布設(shè)距離在450m之后趨于穩(wěn)定，成本、效率、精度三者結(jié)合，像控點布設(shè)距離為600m更合適。

表2 空三加密控制點整體中誤差 單位（cm）

3.2 三維模型精度分析

模型精度誤差表見表3所示，依照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》要求，全部符合精度要求。從表3可以看出，2cm（含）以內(nèi)，隨著像控點密度的稀疏，模型的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)降低趨勢，像控點布設(shè)距離為150m時，平面和高程精度最高。分辨率為3cm時，模型的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，像控點布設(shè)距離300m距離達到精度最高。在分辨率為5cm時，隨著像控點密度稀疏，模型精度在像控點布設(shè)密度為450m之后趨于穩(wěn)定，成本、效率、精度三者結(jié)合，像控點布設(shè)距離為600m更為合適。

表3 模型精度誤差 單位(m)

3.3 空間信息采集精度分析

在測區(qū)范圍內(nèi)測取了168個平面檢查點和179個高程檢查點，野外測量出點的坐標，同時室內(nèi)獲取點坐標，統(tǒng)計兩者之間的較差，計算中誤差，獲取平面和高程精度，見表3?？梢钥闯?，分辨率在1.5m以內(nèi)，隨著像控點密度的稀疏，空間信息采集的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)降低趨勢，并且平面精度高于高程精度，在150m距離時，平面和高程精度最高。在分辨率為2cm時，空間信息采集的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)降低趨勢，像控點布設(shè)距離為300m時，平面精度和高程精度接近，結(jié)合實際平面精度要求更高的實際需求，像控點布設(shè)距離采取150m更為合適。在分辨率為3cm時，空間信息采集的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，平面精度高于高程精度，像控點布設(shè)距離在300m距離達到平面精度和高程精度最高。在分辨率為5cm時，空間信息采集的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，高程精度高于平面精度，成本、效率、精度三者結(jié)合，像控點布設(shè)距離為600m比較合適。

表4 采集數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計表 單位(cm)

4 結(jié)論

本文通過分析多傾斜影像分辨率條件下的不同像控點分布密度對空三加密精度、實景三維模型精度以及空間信息采集精度的影響，得到最優(yōu)的方案，結(jié)論如下：

（1）從空三精度，模型精度，以及空間信息采集精度分析，分辨率在2cm(含)以內(nèi)，隨著像控點密度的稀疏，空三加密、模型采集、空間信息采集平面和高程精度精度降低，像控點布設(shè)距離為150米時空間信息采集精度最高。

（2）3cm時，空三加密、模型采集、空間信息采集平面和高程精度在300米-450米趨于平穩(wěn)狀態(tài)，像控點布設(shè)距離為300m距離時平面精度和高程精度最高。

（3）5cm時，隨著像控點密度的稀疏，空三加密精度反而增高，模型精度、空間信息采集的平面精度和高程精度整體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，從成本、效率、精度三者結(jié)合來說，像控點布設(shè)距離為600m更為適合。

各種方案的平面精度都在10cm以內(nèi)，高程精度都在10公分以內(nèi)，根據(jù)地形圖測繪、地籍、房產(chǎn)測繪需求，可以得到如下結(jié)論：

（1）對于1：500比例尺地形圖測繪，考慮成本、效率、精度，像控點布設(shè)距離300m情況下，影像地面分辨率3cm，重疊度80%-70%時都能達到規(guī)范精度要求。

（2）對于1：1000比例尺地形圖測繪、地籍測繪，像控點布設(shè)距離600m，影像地面分辨率5cm，重疊度80%-70%時都能達到規(guī)范精度要求。

（3）對于房產(chǎn)測繪，影像地面分辨率不低于2cm，像控點布設(shè)距離不少于150m，重疊度不低于80%-70%時能達到房產(chǎn)測繪二級界址點精度要求。能夠使用該方式進行房產(chǎn)二級點以下的測繪。