像控點(diǎn)布設(shè)對(duì)無(wú)人機(jī)小范圍非規(guī)則區(qū)域?qū)嵕敖＞鹊挠绊?/h1>

2020-05-23 06:06:20張光祖王春徐燕陶宇吳亮盛帥

全球定位系統(tǒng)訂閱 2020年2期 收藏

關(guān)鍵詞：模型

張光祖,王春,徐燕,陶宇,吳亮,盛帥

(1.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.實(shí)景地理環(huán)境安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 滁州 239000;3.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

實(shí)景模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的虛擬表達(dá),能真實(shí)直觀地還原地物地貌特征,被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃[1]、資源管理[2]、應(yīng)急指揮[3]等方面．當(dāng)下對(duì)于實(shí)景模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)源主要包括大例尺地形圖和外業(yè)人工拍照組合[4-5]、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6-7]和傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量[8],雖然由此構(gòu)建的實(shí)景模型取得了良好的應(yīng)用效果,但存在更新慢、成本高、效率低等問(wèn)題,制約了實(shí)景模型的發(fā)展[9]．

隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的出現(xiàn),實(shí)景模型的構(gòu)建進(jìn)入了新的發(fā)展階段．然而,無(wú)人機(jī)所搭載的非量測(cè)相機(jī)像幅小、航向和旁向重疊度大,依據(jù)傳統(tǒng)航攝要求布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)量需成倍增加[10],像控點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量成為制約生產(chǎn)效率的重要因素之一．目前已有學(xué)者研究指出像控點(diǎn)的數(shù)量、分布對(duì)航測(cè)精度產(chǎn)生影響:蘇世偉等[11]指出像控點(diǎn)數(shù)量對(duì)航攝精度的影響并非呈線性關(guān)系;周旺輝等[12]指出四周均勻加少量?jī)?nèi)部控制的方法為最優(yōu)布點(diǎn)方式,朱進(jìn)等[13]認(rèn)為四角點(diǎn)組的方式布設(shè)像控點(diǎn)可提高空三精度,但都基于規(guī)則測(cè)區(qū)的像控點(diǎn)布設(shè)方法,在非規(guī)則測(cè)區(qū)應(yīng)用效果有限．在測(cè)圖生產(chǎn)中:買小爭(zhēng)等[14]提出隔航帶、隔6條基線的方式布設(shè)像控點(diǎn),可滿足1∶1000 正射影像制圖精度;彭凱笛等[15]建議在大比例尺測(cè)圖時(shí)使用四角中心點(diǎn)方式布設(shè)像控點(diǎn);李萬(wàn)能等[16]指出根據(jù)地形調(diào)整網(wǎng)狀點(diǎn)位布設(shè)間距,在有效減少冗余像控點(diǎn)的基礎(chǔ)上,航測(cè)結(jié)果滿足1∶2000 地形圖精度要求．

以上研究均表明,像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和位置,對(duì)實(shí)景模型精度、外業(yè)測(cè)繪工作量、模型構(gòu)建成本等會(huì)產(chǎn)生很大影響．非規(guī)則測(cè)區(qū)由于其邊緣形態(tài)各異,如何選取最少像控點(diǎn)數(shù)量、最佳像控點(diǎn)布設(shè)位置,從而實(shí)現(xiàn)最高精度實(shí)景模型的構(gòu)建,還有待進(jìn)一步研究．鑒于此,本文采取邊緣布設(shè)、邊緣加少量中心布設(shè)、中心布設(shè)三種不同的像控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行實(shí)景模型構(gòu)建,對(duì)比分析像控點(diǎn)數(shù)量和布設(shè)位置對(duì)非規(guī)則區(qū)域模型精度的影響特征．

1 實(shí)景模型構(gòu)建技術(shù)流程

傾斜攝影建模的主要步驟有:數(shù)據(jù)預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視角影像匹配、數(shù)字表面模型(DSM)生成和正射糾正等[17]．1)數(shù)據(jù)預(yù)處理階段需要對(duì)影像進(jìn)行篩選,剔除不合格的像片,確定相機(jī)參數(shù),整理影像姿態(tài)位置數(shù)據(jù),確保每張影像信息的完整；2)結(jié)合影像姿態(tài)位置數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,解算出像片方位元素；3)利用多基元匹配算法獲得加密特征點(diǎn)云并構(gòu)建格網(wǎng)模型；4)紋理映射,為格網(wǎng)模型覆蓋上最匹配的真實(shí)影像．5)對(duì)輸出的實(shí)景模型進(jìn)行精度驗(yàn)證．技術(shù)流程如圖1所示．

圖1 技術(shù)流程

2 工程實(shí)踐

2.1 像控點(diǎn)的布設(shè)

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)為臨泉縣某區(qū)域,面積0.25 km2,測(cè)區(qū)形態(tài)為非規(guī)則多邊形,根據(jù)實(shí)際形態(tài)特征設(shè)計(jì)了三種像控點(diǎn)布設(shè)方案.

方案一:邊緣布設(shè),根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際形態(tài),在測(cè)區(qū)邊緣布設(shè)像控點(diǎn),像控點(diǎn)依次連線構(gòu)成的面盡量包含整個(gè)測(cè)區(qū),本次布設(shè)5個(gè)點(diǎn),如圖2(a)所示．

方案二:邊緣加少量中心布設(shè),在滿足邊緣布設(shè)的情況下,測(cè)區(qū)中部增設(shè)少量像控點(diǎn),本次共布設(shè)8個(gè)像控點(diǎn),如圖2(b)所示．

方案三:中心布設(shè),僅在測(cè)區(qū)中部布設(shè)像控點(diǎn),本次布設(shè)5個(gè)像控點(diǎn),如圖2(c)所示．

依據(jù)外業(yè)控制點(diǎn)的布設(shè)規(guī)范,像控點(diǎn)布設(shè)在空曠、地表起伏較小的區(qū)域．另在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)10個(gè)檢核點(diǎn),在連接地面參考站(CORS)的情況下使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)差分技術(shù)測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo),用于模型精度檢查．

(a) 邊緣布設(shè)

(b) 邊緣加少量中心布設(shè)

(c) 中心布設(shè)圖2 像控點(diǎn)布設(shè)分布圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與建模

大疆精靈4 RTK為多旋翼小型無(wú)人機(jī)，如圖3所示,飛行方式靈活,可自由調(diào)整鏡頭傾角,集成的RTK模塊可有效提高影像的定位定姿(POS)精度,滿足高精度航攝的要求．設(shè)置航向重疊、旁向重疊均為80%,飛行高度100 m,鏡頭傾角60°,對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,最終獲得5 351張航空影像．外業(yè)航測(cè)信息如表1所示．

圖3 大疆精靈4 RTK 無(wú)人機(jī)

表1 航測(cè)信息表

本次實(shí)驗(yàn)利用Context Capture軟件構(gòu)建實(shí)景模型,以邊緣布設(shè)為例,構(gòu)建模型如圖4所示,紋理細(xì)節(jié)逼真．

(a) 全區(qū)模型 (b) 局部模型圖4 模型效果展示

3 模型精度分析

3.1 像控點(diǎn)精度驗(yàn)證

由于像控點(diǎn)對(duì)模型精度有重要影響,在對(duì)三種方案所得實(shí)景模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)前,先驗(yàn)證像控點(diǎn)的精度,以避免像控點(diǎn)測(cè)量粗差或像控點(diǎn)被破壞對(duì)模型精度的影響．綜合三種像控點(diǎn)布設(shè)方案共得到10個(gè)不同位置的像控點(diǎn),結(jié)合影像POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量．像控點(diǎn)空三解算質(zhì)量報(bào)告如表2所示．

由空三解算結(jié)果可知,重投影中誤差均在1個(gè)像素點(diǎn)以內(nèi),準(zhǔn)確度很高;像控點(diǎn)水平中誤差為0.006 m,垂直中誤差為0.007 m．像控點(diǎn)精度高,均可用于實(shí)景模型的構(gòu)建．

表2 像控點(diǎn)質(zhì)量表

3.2 點(diǎn)位精度分析

對(duì)使用不同方案構(gòu)建得到的模型做點(diǎn)位精度分析,以檢核點(diǎn)的RTK測(cè)量坐標(biāo)為真值,對(duì)應(yīng)的模型點(diǎn)坐標(biāo)為測(cè)量值,檢核各方案構(gòu)建模型的點(diǎn)位精度．中誤差計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:n為檢核點(diǎn)數(shù)量;Δxi,Δyi,Δzi為各點(diǎn)位真誤差; ?x,?y,?z為各軸向中誤差;?xy為平面中誤差．

計(jì)算得到各模型的平面中誤差和高程中誤差,結(jié)果如表3所示;各檢核點(diǎn)平面誤差和高程誤差如圖5～6所示．分析可知:

1) 方案一:模型平面誤差在0.0103～0.0496 m,RMSE平面為0.033 4 m;高程誤差在0.0014～0.0778 m,RMSE高程為0.039 8 m．方案二模型平面誤差在0.0106～0.0463 m,RMSE平面為0.029 8 m;高程誤差在0.0019～0.0638 m,RMSE高程為0.0408 m．方案三模型平面誤差在0.0123～0.0725 m,RMSE平面為0.045 8 m,平面誤差超過(guò)5 cm的檢核點(diǎn)有5個(gè);高程誤差在0.00550～0.0934 m,RMSE高程為0.053 3 m．

2) 由方案一和方案二可知:根據(jù)非規(guī)則測(cè)區(qū)邊緣形態(tài),兩種方案所得模型精度均滿足1∶500 比例尺測(cè)圖精度要求;在測(cè)區(qū)中部增加3個(gè)中心像控點(diǎn)時(shí),模型平面精度僅提升0.003 6 m．在像控點(diǎn)布設(shè)位置合適的情況下,增加像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量對(duì)模型精度影響較低．

3) 中心布設(shè)像控點(diǎn)的方式所得模型精度無(wú)法滿足1∶500 比例尺測(cè)圖精度要求,外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意避免該點(diǎn)位布設(shè)方案,像控點(diǎn)不應(yīng)僅布設(shè)在測(cè)區(qū)中部．

表3 檢核點(diǎn)精度 m

圖5 檢核點(diǎn)平面精度

圖6 檢核點(diǎn)高程精度

3.3 幾何精度分析

由于實(shí)景模型中有大量建筑、道路等幾何結(jié)構(gòu),僅考慮點(diǎn)位誤差忽略了模型的幾何精度,對(duì)模型的精度評(píng)價(jià)也顯得單一．在模型內(nèi)選擇若干點(diǎn)連線,L1、L4、L5為東西方向、L2、L3為南北方向,通過(guò)線段誤差對(duì)模型的幾何精度做進(jìn)一步分析．以實(shí)測(cè)值作為真值,模型上測(cè)量三次線段長(zhǎng)度取平均值作為測(cè)量值,三種方案線段相對(duì)精度如表4所示，線段長(zhǎng)度誤差如圖7所示．分析可知:

1) 三種方案構(gòu)建的模型線段相對(duì)精度均在0.015%以內(nèi),模型幾何精度較高,具有良好的應(yīng)用價(jià)值．

2) 三種方案構(gòu)建的模型中線段L2、L3、L5的長(zhǎng)度誤差相同,像控點(diǎn)的布設(shè)方式以及數(shù)量對(duì)模型的幾何精度影響較?。?/p>

表4 線段相對(duì)誤差

圖7 線段長(zhǎng)度誤差

3.4 普適性驗(yàn)證

另選兩塊形狀不同的非規(guī)則驗(yàn)證區(qū),面積分別為0.27 km2和0.28 km2．在檢核像控點(diǎn)精度滿足建模要求的情況下做相同實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所得結(jié)果的普適性,像控點(diǎn)布設(shè)方案如表5所示．驗(yàn)證區(qū)一、二的點(diǎn)位精度分別如圖8～11所示,線段相對(duì)精度如表6～7所示．對(duì)比分析可得如下結(jié)論:

1) 方案一和方案二的點(diǎn)位精度均滿足1∶500比例尺測(cè)圖要求．兩個(gè)驗(yàn)證區(qū)的方案三中,分別有2個(gè)和1個(gè)檢核點(diǎn)平面誤差大于1∶500 比例尺測(cè)圖規(guī)范要求．

2) 兩個(gè)驗(yàn)證區(qū)模型的幾何精度都很高,線段相對(duì)精度分別小于0.016%和0.015%．

總體上來(lái)看,兩個(gè)驗(yàn)證區(qū)的精度結(jié)果和實(shí)驗(yàn)區(qū)相符,實(shí)驗(yàn)區(qū)的結(jié)果具有普適性．

表5 驗(yàn)證區(qū)像控點(diǎn)分布

表6 驗(yàn)證區(qū)一線段相對(duì)精度

表7 驗(yàn)證區(qū)二線段相對(duì)精度

圖8 驗(yàn)證區(qū)一平面精度 圖9 驗(yàn)證區(qū)一高程精度

圖10 驗(yàn)證區(qū)二平面精度 圖11 驗(yàn)證區(qū)二高程精度

4 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)區(qū)和驗(yàn)證區(qū)均為面積為0.3 km2左右的小范圍非規(guī)則區(qū)域,地物要素豐富,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為航拍分辨率2 cm的影像,按照三種像控點(diǎn)布設(shè)方式構(gòu)建實(shí)景模型,并進(jìn)行精度分析,得到以下結(jié)論:

1) 根據(jù)非規(guī)則測(cè)區(qū)實(shí)際形態(tài)特征,按照邊緣布設(shè)五個(gè)像控點(diǎn)和邊緣加少量中心布設(shè)八個(gè)像控點(diǎn)建立的實(shí)景模型,模型精度均滿足1∶500 大比例尺測(cè)圖精度要求．當(dāng)考慮成本更加經(jīng)濟(jì)、效率更高時(shí)選擇邊緣布設(shè)像控點(diǎn)方式;當(dāng)考慮到模型精度的檢核需要時(shí),可選擇邊緣加少量中心布設(shè)的方式．

2) 像控點(diǎn)位置對(duì)模型精度有較大影響．應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)非規(guī)則測(cè)區(qū)的邊緣控制,像控點(diǎn)連線形成的凸多邊形應(yīng)盡量多地包含整個(gè)非規(guī)則測(cè)區(qū)．僅在測(cè)區(qū)中部布設(shè)像控點(diǎn)時(shí),模型邊緣精度無(wú)法滿足1∶500 比例尺精度要求．

3) 像控點(diǎn)數(shù)量對(duì)實(shí)景模型精度影響與布設(shè)位置有關(guān):當(dāng)像控點(diǎn)布設(shè)位置較差時(shí),如中心像控,像控點(diǎn)數(shù)量對(duì)模型精度影響較大;當(dāng)像控點(diǎn)位置比較理想,如達(dá)到邊緣控制的要求,增加像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量并不能顯著提升實(shí)景模型精度．

4) 通過(guò)調(diào)整像控點(diǎn)布設(shè)位置可在保證精度的情況下有效減少像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量,但無(wú)法在構(gòu)建高精度模型時(shí)免除像控點(diǎn),未來(lái)免像控高精度建模仍是需要努力的方向．

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