不同無(wú)人機(jī)航測(cè)影像處理方案效果對(duì)比

劉志軍 孔祥峰

(浙江有色勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 紹興 312000)

0 引言

無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)在近年來(lái)得到了較快的發(fā)展,隨著智能、智慧以及大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展,對(duì)測(cè)繪行業(yè)也提出了新的要求,傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量在技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域均存在局限性,因此發(fā)展無(wú)人機(jī)智能測(cè)繪成為當(dāng)下的發(fā)展潮流[1-4]。

傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航空攝影通常采用地面像控點(diǎn)輔助影像空三解算方式進(jìn)行建模,但是需要在野外布設(shè)大量的像控點(diǎn)才能保證足夠的影像處理精度,將會(huì)大大降低測(cè)繪工作效率。而無(wú)人機(jī)搭載POS進(jìn)行定位時(shí)的精度往往難以滿足高精度直接地理定位的相關(guān)要求,建立的模型存在明顯的偏差[5-7]。為了提升機(jī)載POS數(shù)據(jù)影像處理精度,達(dá)到免像控或者少像控點(diǎn)的目的,減少對(duì)人力和資源的消耗,近年來(lái)基于GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng), Global Navigation Satellite System,GNSS) CORS和POS技術(shù)的攝影測(cè)量方法逐漸發(fā)展起來(lái)[8-10],但是該方法受CORS基站信號(hào)影像較大,有時(shí)仍然難以滿足相關(guān)精度要求,因此,有必要對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)影像處理方案進(jìn)行探討。

本文基于無(wú)人機(jī)航空影像攝影技術(shù),對(duì)比分析了6種不同無(wú)人機(jī)航測(cè)影像處理方案的效果,能夠更快速高效地滿足智慧城市建設(shè)需要的高精度地理信息產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)面積約為460 km2,區(qū)域內(nèi)以平原為主,平原海拔30～50 m,同時(shí)存在少量的丘陵地帶,丘陵海拔高度未超過(guò)200 m,整個(gè)地勢(shì)呈西北高東南低。

1.2 航測(cè)參數(shù)

數(shù)碼航攝儀采用UCE M3 f100,所采集的地面數(shù)據(jù)成果分辨率為0.04 m,同時(shí)具有高精度POS定姿信息,旁向重疊度和航向重疊度分別為38～44%和66～70%,一條航線的最大和最小飛行航攝之差應(yīng)≤30 m,實(shí)際航高與預(yù)設(shè)航高的差值應(yīng)≤5%,傾斜角和旋偏角應(yīng)分別不大于2°和8°,航線的彎曲度應(yīng)≤1%,航攝時(shí)間選擇在天氣晴朗無(wú)云無(wú)風(fēng)的時(shí)間段進(jìn)行,以保證影像的清晰度和飽滿度。

具體的航攝因子為:攝影比例尺1∶10 000,焦距100 mm,像元大小4 μ,幅面大小為26 460×26 460,相對(duì)航高1 000 m,絕對(duì)航高1 050 m,基準(zhǔn)面Qy為40%,航線間隔Dy為635 m,基準(zhǔn)面Px為67%,基線Bx為170 m,航線長(zhǎng)度為886 km,航線數(shù)量為33條,航片數(shù)量為3 995張,基準(zhǔn)面比例尺為1∶10 000,南北覆蓋因子為50%,東西覆蓋因子為3條基線。

2 影像處理方案

影像處理方案主要分為三類:一是單獨(dú)控制點(diǎn)影像處理;二是免像控點(diǎn)影像處理;三是優(yōu)化POS結(jié)合控制點(diǎn)處理。具體方案設(shè)置情況見(jiàn)表1。

2.1 單獨(dú)控制點(diǎn)影像處理

地面像控點(diǎn)是航測(cè)影像控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ),能夠提高航測(cè)影像精度的作用,通過(guò)在影像顯著點(diǎn)、拐角點(diǎn)、固定物或者十字相交并且具有明顯界限的物體上布設(shè)像控點(diǎn),并將采集好的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D 軟件,經(jīng)影像校正、模型制作和影像處理等過(guò)程,再通過(guò)空三解算和模型輸出,在只有像控帶點(diǎn)平差情況下,對(duì)檢查點(diǎn)的模型坐標(biāo)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。本文在航攝影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,選擇30個(gè)點(diǎn)作為像控點(diǎn),并另外選取30個(gè)點(diǎn)作為地面檢查點(diǎn)。

2.2 免像控點(diǎn)影像處理

免像控處理是在機(jī)載POS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,根據(jù)研究區(qū)與不同CORS基站的距離以及整周模糊度固定率大小對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理(GNSS差分處理),獲得外方位元素,然后進(jìn)行影像處理和立體建模,最終在模型影像中選擇地物點(diǎn)作為檢查點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè),并計(jì)算模型坐標(biāo)值與實(shí)測(cè)坐標(biāo)值的誤差,得到不同處理方案的精度。在研究區(qū)附近共有三個(gè)不同的CORS基站(編號(hào)分別為A、B、C),距離研究區(qū)的距離分別為26 km,10 km和2 km,模糊度固定率分別為58.8%、

91.7%和97%。免像控點(diǎn)影像處理方案共設(shè)置四種:(1)基于原始機(jī)載POS數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建;(2)基于ACORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)模型構(gòu)建;(3)基于BCORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)模型構(gòu)建;(4)基于B-CCORS多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)模型構(gòu)建。每種處理方案均選擇60個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

2.3 優(yōu)化POS結(jié)合控制點(diǎn)處理

在基于B-CCORS多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,利用少量的地面控制點(diǎn)(本文選擇3個(gè)控制點(diǎn)且三個(gè)控制點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)呈三角均勻分布)進(jìn)行影像處理和建模,然后另外選擇30個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

3 效果對(duì)比

3.1 檢查點(diǎn)坐標(biāo)與模型坐標(biāo)差值

試驗(yàn)得到的不同航空影像處理方案下的模型坐標(biāo)值與檢查點(diǎn)坐標(biāo)值之間的誤差(Δx、Δy和Δh)情況見(jiàn)表2。從表中可以看到:在單獨(dú)控制點(diǎn)影像處理方案下,點(diǎn)數(shù)30個(gè)，Δx、Δy和Δh的最大值分別為0.075、0.108和0.208 m,最小值分別為0.003、0和0.01 m;在原始POS數(shù)據(jù)影像處理方案下,點(diǎn)數(shù)60個(gè)，Δx、Δy和Δh的最大值分別為5.403、7.051和8.727 m,最小值分別為0.03、0.045和3.082 m;在ACORS基站優(yōu)化 POS數(shù)據(jù)影像處理方案下,點(diǎn)數(shù)60個(gè)，Δx、Δy和Δh的最大值分別為2.056、2.041和1.487 m,最小值分別為0.006、0.025和0.013 m;在BCORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像處理方案下,點(diǎn)數(shù)60個(gè)，Δx、Δy和Δh的最大值分別為0.686、0.660和1.190 m,最小值分別為0.341、0.097和0.352 m;在B-CCORS多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像處理方案下,點(diǎn)數(shù)30個(gè)，Δx、Δy和Δh的最大值分別為1.108、0.873和1.799 m,最小值分別為0.022、0.016和0.016 m;在B-CCORS多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)+3控制點(diǎn)影像處理方案下,點(diǎn)數(shù)30個(gè)，Δx、Δy和Δh的最大值分別為0.155、0.141和0.878 m,最小值分別為0.004、0.001和0.012 m。從6種影像處理方案的坐標(biāo)差值來(lái)看,使用單獨(dú)控制點(diǎn)影像處理方案的坐標(biāo)誤差最小,其次為多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)+3控制點(diǎn)影像處理方案,采用原始POS數(shù)據(jù)影像處理方案時(shí)的坐標(biāo)誤差值最大。

表1 不同影像處理方案

表2 不同影像處理方案下坐標(biāo)誤差情況 單位：m

3.2 精度評(píng)定

不同處理方案下的地物點(diǎn)坐標(biāo)精度情況見(jiàn)圖1。從圖中可以看到,方案二(原始POS數(shù)據(jù))的平面中誤差和高程中誤差最大,分別達(dá)到4.043和5.992 m,方案一(單獨(dú)控制點(diǎn))的平面中誤差和高程中誤差最小,分別為0.059和0.108 m。根據(jù)GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,在不同比例尺下的地物點(diǎn)平面和高程精度誤差限制情況見(jiàn)表3。結(jié)合圖1和表3數(shù)據(jù)可知,單獨(dú)像控點(diǎn)影像處理方案下的平面和高程精度滿足1∶500大比例尺精度要求,當(dāng)采用原始POS數(shù)據(jù)和ACORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像處理方案時(shí),不能滿足相關(guān)規(guī)范要求,當(dāng)采用距離較近和模糊固定率較高的BCORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像處理方案時(shí),基本滿足1∶2 000比例尺精度要求,當(dāng)采用B-CCORS多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像處理方案時(shí),滿足1∶1 000比例尺精度要求,當(dāng)采用多基站POS優(yōu)化數(shù)據(jù)+3控制點(diǎn)影像處理方案時(shí),滿足1∶500比例尺精度要求。

表3 不同比例尺地物點(diǎn)的中誤差限值 單位：m

圖1 不同影像處理方案精度分析結(jié)果

3.3 討論

從整體效果來(lái)講:利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)、GNSS不等距離單基準(zhǔn)站和多基準(zhǔn)站優(yōu)化的POS數(shù)據(jù)影像處理方案的精度不如控制點(diǎn)影像處理方案的精度,這主要是因?yàn)闄C(jī)載POS系統(tǒng)與測(cè)量相機(jī)的位置本身存在一定的高程偏差,因而在影像處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差,同時(shí)在低飛行高度時(shí),機(jī)載POS系統(tǒng)信號(hào)容易受到外界環(huán)境的干擾,因而也會(huì)造成一定的偏差。當(dāng)采用CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)進(jìn)行建模時(shí),距離越近和模糊固定率較高的處理方案精度更佳,多基準(zhǔn)CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)的處理效果優(yōu)于單基準(zhǔn)CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)的處理效果?；诙嗷鶞?zhǔn)CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)+3控制點(diǎn)影像處理方案的精度與單獨(dú)控制點(diǎn)影像處理的方案的精度基本相當(dāng),而且,可以很大程度上減輕外業(yè)作業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)工作量,對(duì)于提高整體的航測(cè)工作效率具有重要意義,當(dāng)設(shè)備及環(huán)境條件允許時(shí),推薦使用此方案進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)影像處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)6種不同無(wú)人機(jī)影像處理方案的誤差和精度對(duì)比,得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)或者CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理時(shí)的精度不如控制點(diǎn)影像處理方案的精度。

(2)距離越近和模糊固定率越高的CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)處理精度越好,多基準(zhǔn)CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)的處理效果優(yōu)于單基準(zhǔn)CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)的處理效果。

(3)單獨(dú)控制點(diǎn)和多基準(zhǔn)CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)+3控制點(diǎn)處理方案的精度滿足1∶500比例尺精度要求,BCORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)處理方案精度滿足1∶2 000比例尺精度要求,B-CCORS多基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)影像處理方案精度滿足1∶1 000比例尺精度要求。

(4)在設(shè)備和環(huán)境條件允許下,推薦采用(單)多CORS基站優(yōu)化POS數(shù)據(jù)結(jié)合控制點(diǎn)方式進(jìn)行影像處理。