無人機測圖的像控點布設(shè)優(yōu)化及精度提升措施

孟 瑞，廖開懷，吳希文，徐永明

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510090；2. 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251）

當(dāng)前，高分辨率無人機影像在大比例尺測圖中應(yīng)用廣泛[1-2]，像控點的布設(shè)方式是影響無人機地形圖測繪效率及精度的關(guān)鍵因素[3-4]。傳統(tǒng)無人機大比例尺測圖需要大量野外像控點，探討像控點的優(yōu)化布設(shè)方案可使測圖工作更加高效，成圖精度更高[5-6]。平原地區(qū)承載大量經(jīng)濟、工程建設(shè)，對測繪地理信息產(chǎn)品需求更多，已有研究多針對某一具體工程應(yīng)用中像控點布設(shè)方式進(jìn)行分析[7-8]，未深入研究平原地區(qū)像控點分布與成圖精度間的關(guān)系以及精度提升措施。另外，無人機航片高精度定位定向系統(tǒng)(position and orientation system，POS)數(shù)據(jù)對空三加密成果以及測圖成果精度有顯著影響[9-10]，目前對其尚缺乏研究分析和實踐驗證。

鑒此，本文梳理無人機數(shù)字?jǐn)z影測量工作流程并分析其關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合無人機大比例尺測圖實踐設(shè)計四組基于區(qū)域網(wǎng)法的像控點布設(shè)方案，其中含有高精度POS輔助的對比方案，基于Pix4Dmapper平臺處理各方案航片數(shù)據(jù)，探討滿足規(guī)范精度的平原地區(qū)像控點優(yōu)化布設(shè)方式并總結(jié)無人機測圖的精度提升措施，為提高野外像控測量工作效率及平原地區(qū)無人機大比例尺測圖精度提供科學(xué)參考。

1 已有像控點布設(shè)方法分析

無人機測圖關(guān)鍵技術(shù)包括航線設(shè)計、像控點布設(shè)、影像預(yù)處理、影像匹配、空中三角測量解算及3D成果產(chǎn)品的制作等[11]。上述關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用在無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量作業(yè)流程及影像處理階段(見圖1)，對成果的質(zhì)量有重要影響。其中，像控點布設(shè)的數(shù)量及分布方式會直接影響成圖精度且是當(dāng)前研究熱點。內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理多基于光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量平差進(jìn)行[12]，在保證測圖精度的同時對像控點數(shù)量的要求大大降低，但已有攝影測量像控點布點方式要求布設(shè)像控點較多[13]。因此，深入分析已有像控點布設(shè)方式及其關(guān)鍵技術(shù)，以期保證精度的同時優(yōu)化像控點布點方式并減少外業(yè)工作量。

圖1 無人機作業(yè)及影像處理流程Fig.1 Technique process of operation of UAV and image processing

無人機測圖控制測量包括像控點的外業(yè)控制測量及像控點的內(nèi)業(yè)刺點，內(nèi)業(yè)刺點主要是人機交互的過程，外業(yè)布點要求相對較高。外業(yè)像控點要求布設(shè)在成像清晰且上空開闊的區(qū)域、避免航片的邊緣，另外像控點應(yīng)盡量被多張航片拍攝，以便控制多航片。外業(yè)像控點布設(shè)方法有全野外法和非全野外法[14]，全野外法布點工作量大、效率較低，目前主要采用非全野外法布設(shè)像控點，其包括航線網(wǎng)法和區(qū)域網(wǎng)法[15]。非全野外像控點布設(shè)方法需要少量的像控點，基于解析空中三角測量進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，進(jìn)而獲取加密點的坐標(biāo)。

1.1 航帶網(wǎng)法像控點布設(shè)

航帶網(wǎng)法像控點依據(jù)航線分段布設(shè)，通過限制相鄰像控點間的基線間隔或距離，從而保證加密點精度。當(dāng)前像控點外業(yè)測量平面精度高于高程方向，所以對平面和高程像控點提出不同的限制要求，CH/Z 3003-2010規(guī)范中航向基線間隔計算公式[16]見式(1)，平面像控點旁向航線間隔要求1∶1 000及更大比例尺測圖時航線間隔不超過5，比例尺小于1∶1 000時航線間隔為不超過6。

式中，ms、mh分別為加密點平面、高程中誤差，其單位分別為mm、m； K 為航片放大倍數(shù)； H為相對航高，m；b為 基線長，mm；mq為視差量測中誤差，mm；n 為航線方向相鄰平面控制點的間隔基線數(shù)。

具體的航帶網(wǎng)法包括五點法、六點法和八點法[17]。六點法在每條航線的首尾兩端及中央的旁向重疊范圍內(nèi)，各布設(shè)一對平高點，如圖2(a)所示；八點法在航帶網(wǎng)內(nèi)，布設(shè)八個平高點，如圖2(b)所示；五點法在航帶網(wǎng)中央的像主點上方或下方只需布設(shè)一個平高點，如圖2(c)所示。

圖2 3種航帶網(wǎng)法布點方案Fig.2 Three layout schemes based on aerial strip network method(including 6, 8 and 5 points method)

1.2 區(qū)域網(wǎng)法像控點布設(shè)

區(qū)域網(wǎng)法在區(qū)域網(wǎng)周邊布設(shè)平高點，區(qū)域內(nèi)部增加高程點。3種典型布點方案分別是周邊布設(shè)平高點加內(nèi)部布設(shè)高程點方法、周邊間隔布設(shè)平高點與高程點且關(guān)鍵部位布設(shè)雙平高點、周邊密集布設(shè)平高點，示意圖分別見圖3(a)、(b)及(c)。其中，基于光束法區(qū)域網(wǎng)平差時，一般按照圖3(b)間隔布設(shè)平高點與高程點，特殊情況為提高像控點可靠性，可在關(guān)鍵位置布設(shè)雙點；應(yīng)用RTK(Real-time Kinematic)聯(lián)測像控點時，可按圖3(c)密集布設(shè)平高點。

圖3 區(qū)域網(wǎng)法3種典型布點方案Fig.3 Three layout schemes based on area grid method

2 像控點布設(shè)優(yōu)化方案及應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況及航攝參數(shù)

研究區(qū)位于河北省辛集市境內(nèi)，面積約為1 km2，距辛集火車站約5 km，地理坐標(biāo)大致為東經(jīng)115°14′08″～115°14′22″，北緯37°51′43″～ 37°51′51″，東西兩側(cè)鄰近省道，交通便利。屬平原地形，地勢平坦，域內(nèi)多為農(nóng)村居民房屋。屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏秋兩季相對濕度大，冬春兩季相對濕度小。研究區(qū)地貌地物及位置如圖4所示。

圖4 研究區(qū)地貌地物及位置Fig.4 Landforms and locations in the study area

航拍采用南方無人機搭載SONY-QX100非量測型數(shù)碼相機獲取航測遙感圖像，相機分辨率為5 472×3 648像素，有效像素2 020萬，具有光學(xué)防抖功能，伸縮式鏡頭、30 mm焦距，CCD尺寸為36×54 mm，共飛行16條航線，每條航帶平均基線數(shù)為15條，完成高重疊度航拍，獲取航片282張。研究區(qū)詳細(xì)航攝技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 航攝技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of aerial photography

2.2 像控點優(yōu)化布點方案

本測區(qū)若依據(jù)航帶網(wǎng)法布設(shè)像控點，約需布設(shè)24個像控點，工作量較大。為此，本實驗基于光束法區(qū)域網(wǎng)布點方案進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置4種不同數(shù)量及分布的像控點布設(shè)方案并考慮POS數(shù)據(jù)對測圖的影響，比較空三加密點精度以及檢查點精度，進(jìn)而得出滿足大比例尺測圖要求且成圖精度最高的像控點優(yōu)化布設(shè)方案。

本次航測實測像控點數(shù)量為31個，在內(nèi)業(yè)處理中設(shè)計4種布設(shè)方案進(jìn)行刺點并參與空三加密平差處理，進(jìn)而由Pix4Dmapper生成區(qū)域網(wǎng)光束法空中三角測量平差報告、制作測區(qū)數(shù)字地表模型(Digital Surface Model, DSM)、數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map, DOM)，最終計算所刺像控點的點位誤差，并將22個野外檢查點與空三測量平差成果進(jìn)行對比，計算其點位精度，實現(xiàn)對各方案的精度對比。4種布點方案見圖5，其詳細(xì)的參數(shù)見表2。像控點標(biāo)志為紅色“L”型實地噴涂布設(shè)，并在“L”型標(biāo)志外角處打入鋼釘，在圖中表示為黃色三角點位。

圖5 4種布點方案Fig.5 Four layout schemes of image control point

表2 實驗布點方案參數(shù)Table 2 Parameters of the experimental layout scheme個

由表2可知，方案1布設(shè)像控點數(shù)量最少，方案2布設(shè)像控點數(shù)量最多，方案3與方案4主要對比POS數(shù)據(jù)對空三加密計算和成圖精度的影響。結(jié)合圖5可知，方案1與方案3主要對比在控制點數(shù)目基本一致條件下，其空間分布對成圖精度的影響。

3 像控點布設(shè)方案精度對比及精度提升措施

3.1 像控點布設(shè)方案精度對比分析

基于Pix4Dmapper分別解算2.2節(jié)4種布設(shè)方案，生成區(qū)域網(wǎng)光束法空中三角測量平差報告，統(tǒng)計每種方案像控點的點位中誤差及X、Y、Z三方向的平均誤差，見表3。由表3可知，經(jīng)空中三角測量平差后，方案2的平面點位中誤差最小，方案1精度最低，但4種方案平面點位中誤差整體差別不大，精度約為10～11 mm。高程方向方案3精度最高，方案4精度最低，4種方案在高程方向精度差異明顯。

進(jìn)一步地，基于野外檢查點測量坐標(biāo)與空三加密成果計算檢查點平面點位精度與高程方向精度，從而評估最優(yōu)布點方案。檢查點精度計算公式如式(2)所示，各方案檢查點精度統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表3 各方案像控點精度Table 3 Accuracy of image control points in each schememm

表4 檢查點精度統(tǒng)計Table 4 Precision statistics of checkpoints

式中， σX、σY、 MZ分別為 X、Y 、Z 方向的單位權(quán)中誤差，mm； MS為平面點位中誤差，mm； X、Y 、Z 分別為檢查點3個方向GPS-RTK測量坐標(biāo)，mm， X′、Y′、 Z′分別為檢查點3個方向空三解算坐標(biāo)，mm。

《CH/Z 3003-2010低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》規(guī)定數(shù)字線劃圖(B)類、數(shù)字正射影像圖(B)類制作時，內(nèi)業(yè)加密點對附近野外控制點的平面位置中誤差、高程中誤差不應(yīng)大于表5規(guī)定。

表5 平面點位精度、高程精度規(guī)定Table 5 Precision of plane point and elevation pointm

由表4并結(jié)合表5規(guī)范要求可知，4種方案的平面方向都可滿足1∶500比例尺成圖精度，高程方向可達(dá)1∶2 000比例尺成圖精度。

由2.2節(jié)表2布點方案及表4可知，方案1比方案2少布設(shè)50%的像控點，但空三加密點及成圖精度基本一致。因此在地勢平坦的平原地區(qū)，可按照基線間隔為10布設(shè)野外像控點，保證精度的同時可有效節(jié)約成本，提高工作效率，方案1優(yōu)于方案2。方案1和方案3對比，其像控點數(shù)量基本一致，但方案3通過在研究區(qū)中心區(qū)域添加像控點的方式減小了航帶間隔數(shù)，使像控點分布更加合理，方案3的平面點位精度和高程精度均較方案1有所提高，方案3優(yōu)于方案1。方案3、4的布點方案相同，但方案4未采用航片POS數(shù)據(jù)，其高程精度明顯降低，對比發(fā)現(xiàn)在無人機航測過程中獲取每張航片的高精度POS數(shù)據(jù)可以顯著提高成果高程精度，方案3優(yōu)于方案4。

綜上所述，本文所提布設(shè)方案3精度最優(yōu)，因此針對平原地區(qū)，可采取基線間隔數(shù)為10、航帶間隔數(shù)為4的像控點優(yōu)化布設(shè)方案。實驗證明該方案可滿足平面1∶500比例尺及高程1∶2 000比例尺測圖的精度要求，該方案在保證精度的同時可提高工作效率、降低工作量。

3.2 測區(qū)DSM、DOM及精度提升措施

根據(jù)2.2節(jié)所述布點方案3，利用Pix4Dmapper軟件解算高精度空三加密成果，經(jīng)特征點匹配可生成三維點云并制作研究區(qū)數(shù)字表面模型DSM，進(jìn)一步聯(lián)合空三加密成果和DSM可生成研究區(qū)的數(shù)字正射影像圖DOM，見圖6。

圖6 研究區(qū)DSM及DOMFig.6 DSM and DOM in the study area

無人機大比例尺測圖誤差來源主要是外業(yè)像控點測量誤差、影像匹配誤差、內(nèi)業(yè)像控點刺點誤差、POS數(shù)據(jù)誤差、飛行誤差及內(nèi)業(yè)立體量測誤差。為此，提出如下精度提升措施：

(1) 選擇氣象條件較好的時段進(jìn)行無人機航測保證成圖精度，減弱飛行誤差并提高影像匹配準(zhǔn)確度；航攝完成后，現(xiàn)場檢查飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量。

(2) 采用GPS實時動態(tài)載波相位差分測量像控點坐標(biāo)，提高像控點測量精度。

(3) 像控點布設(shè)保證上空開闊，點位標(biāo)志設(shè)置清晰醒目，便于內(nèi)業(yè)刺點識別。

(4) 飛行前檢定相機參數(shù)，采用云臺穩(wěn)固安裝在無人機上，提高影像拍攝穩(wěn)定性，采用較為全面的畸變參數(shù)可最大限度地提升航測成果精度。

(5) 無人機航片后處理軟件眾多，如Context Capture及Pix4Dmapper等，其中空三加密平差算法是各軟件關(guān)鍵部分，應(yīng)選取高精度后處理軟件提高空中三角測量解算精度。

4 結(jié)論

像控點布設(shè)是無人機低空數(shù)字?jǐn)z影測量工作的關(guān)鍵技術(shù)，對像控點布設(shè)方法進(jìn)行分析并結(jié)合研究區(qū)測圖實踐，設(shè)計基于區(qū)域網(wǎng)法布點方案的4種像控點優(yōu)化布設(shè)方案，根據(jù)空三加密成果、野外檢核點及測圖成果產(chǎn)品，對比其精度和像控點數(shù)量，所得結(jié)論如下：

(1) 空三加密平差計算后四種方案的平面點位中誤差接近，精度為10～11 mm；高程方向精度差異明顯，未采用航片高精度POS數(shù)據(jù)的方案4精度最低，說明POS數(shù)據(jù)輔助解算可顯著提升高程方向精度。

(2) 平原地區(qū)，各方案平面精度均達(dá)到1∶500比例尺測圖要求，高程精度達(dá)到1∶2 000比例尺測圖要求；精度分析證明基于區(qū)域網(wǎng)法布點方案進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)基線間隔數(shù)為10、航帶間隔數(shù)為4時布設(shè)方案最佳。

(3) 指出無人機大比例尺測圖誤差來源，進(jìn)一步從氣象條件、外業(yè)檢查、像控點控制測量、影像匹配、相機檢定及空三解算等方面提出精度提升措施。

本文分析平原地區(qū)基于區(qū)域網(wǎng)法的像控點布設(shè)優(yōu)化方案，得到滿足規(guī)范要求的最佳方案。該方案有利于減少無人機航測野外像控工作量，提高航測效率，為大比例尺地形圖測繪提供精度保障，為無人機航測多元化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供科學(xué)支撐。