像控點(diǎn)對(duì)無人機(jī)壩區(qū)遙感影像成果精度的影響分析

廖 瑤，田鵬舉，李 雪，黃林峰，胡 鋒，宋善海

(貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

無人機(jī)遙感具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為繼衛(wèi)星遙感和有人機(jī)遙感后最為有效的低空遙感平臺(tái)，已經(jīng)成為低空航空遙感的主流平臺(tái)[1]。近年來，無人機(jī)已在災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)[2-3]、災(zāi)損評(píng)估[4]、作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)[5]等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在無人機(jī)遙感中，最重要的2個(gè)成果是正射影像和DSM。正射影像是一種數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品，同時(shí)具有幾何精度、數(shù)學(xué)精度和影像特征，反映了地物的空間平面位置。DSM地形數(shù)據(jù)表征地物的表面高低起伏，對(duì)地理地形地貌的研究具有重要作用，同時(shí)也是測(cè)量地物表面積的重要數(shù)據(jù)。

小型消費(fèi)級(jí)無人機(jī)上手容易，攜帶方便，是貴州復(fù)雜地形條件下開展無人機(jī)遙感的利器。同時(shí)也由于地形復(fù)雜，對(duì)是否需要像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的有無以及多少對(duì)無人機(jī)正射影像和地形成果的精度影響有多大，這些是利用無人機(jī)遙感開展33.3 hm2以上壩區(qū)服務(wù)的過程中亟需解答的問題。為此，本文選擇榕江縣忠誠壩區(qū)，擬開展4個(gè)方面的研究：①利用高精度差分GPS獲取地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)；②應(yīng)用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)大疆御2pro獲取壩區(qū)正射影像和DSM；③研究像控點(diǎn)和刺點(diǎn)照片數(shù)量對(duì)定位精度的影響；④研究有無像控點(diǎn)對(duì)面積計(jì)算的影響。

1 設(shè)備介紹

使用大疆御2pro無人機(jī)、大疆GS PRO地面站軟件和天宇C6 RTK高精度GPS測(cè)量系統(tǒng)，大疆御2pro采用了有效像素達(dá)2 000萬的1英寸CMOS，相機(jī)傳感器寬13.2 mm，高8.8 mm，機(jī)身小巧，起飛重量只有907 g，單塊電池續(xù)航時(shí)間大于20 min；大疆GS PRO軟件是大疆開發(fā)的地面站軟件，支持測(cè)區(qū)導(dǎo)入功能(5次免費(fèi)，其后收費(fèi))、航線規(guī)劃也容易上手；天宇C6 RTK測(cè)量系統(tǒng)具有厘米級(jí)定位精度，可使用免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，只需攜帶一個(gè)移動(dòng)站。

2 構(gòu)建正射影像和DSM

2.1 研究區(qū)基本情況

研究區(qū)位于榕江忠誠大壩，屬于貴州33.3 hm2以上壩區(qū)的萬畝大壩，平均海拔兩百多米，壩區(qū)地勢(shì)較平，地貌多樣，包括河流、農(nóng)田、道路、居民區(qū)、丘陵等地類。

2.2 像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

為了檢查有像控點(diǎn)和無像控點(diǎn)對(duì)正射影像平面精度和DSM成果高程精度的影響，布設(shè)了9個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)為直徑0.5 m的圓形靶標(biāo)紙，分布于研究區(qū)四周，共布設(shè)了9個(gè)控制點(diǎn)和14個(gè)檢查點(diǎn)，使用千尋賬號(hào)登錄的網(wǎng)絡(luò)RTK方式對(duì)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，獲取了高精度三維坐標(biāo)，采用的坐標(biāo)系為CGCS2000，大地高程作為高程系統(tǒng)。由于后期照片數(shù)據(jù)丟失找不到有些點(diǎn)的位置，故最終只采用了4個(gè)控制點(diǎn)和8個(gè)檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.3 航線設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

使用大疆GS PRO地面站軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，事先使用奧維地圖確定了研究區(qū)矢量，并且導(dǎo)入了大疆GS PRO地面站，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后勘測(cè)了邊界，根據(jù)實(shí)際情況修改了研究區(qū)的實(shí)際范圍。最終測(cè)區(qū)為長約7 km，寬約2 km的長條形區(qū)域，設(shè)計(jì)無人機(jī)相對(duì)飛行高度296 m，地面分辨率7 cm，航向重疊率為80%，旁向重疊率為65%，采用等距間隔拍照，航線設(shè)計(jì)如圖1所示。為加快作業(yè)進(jìn)度，減少無人機(jī)在往返起飛點(diǎn)路上浪費(fèi)的電量，根據(jù)航拍推進(jìn)情況變換起飛點(diǎn)，總共飛行了20多個(gè)架次，拍攝了2 108張照片。拍攝完成后，導(dǎo)入PIX4D軟件進(jìn)行快速檢查，通過生成的質(zhì)量報(bào)告發(fā)現(xiàn)重疊率滿足要求，外業(yè)工作滿足需要，可以進(jìn)入內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)。

圖1 無人機(jī)飛行航線設(shè)計(jì)圖Fig.1 Flight route plan of UAV

2.4 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

在獲取航拍照片后，使用PIX4D軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，共進(jìn)行了3次對(duì)照處理實(shí)驗(yàn)：第1次采用無像控點(diǎn)的處理方式；第2次采用有像控點(diǎn)，但每個(gè)像控點(diǎn)刺點(diǎn)的照片為5張；第3次采用有像控點(diǎn)，但每個(gè)像控點(diǎn)刺點(diǎn)的照片為9～11張。由于照片較多，每次實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約28 h。初始化處理后，軟件自動(dòng)生成了質(zhì)量報(bào)告，通過質(zhì)量報(bào)告看到整體質(zhì)量較好。經(jīng)過初始化、DSM生成、正射影像生成等處理步驟生成了最終成果。像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)所在的位置如圖2所示，檢查點(diǎn)主要是便于識(shí)別的地物、如道路斑馬線邊緣、水泥樁邊緣等。

圖2 像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)所在位置Fig.2 Location map of image control point and check point

3 成果檢查

成果檢查采用平面誤差、高程誤差、平面中誤差和高程中誤差來進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，計(jì)算公式見(1)～(4)：

(1)

高程誤差：Zn1-Zn2

(2)

平面中誤差：

(3)

(4)

其中an1、an2分別為第n個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值和真值的橫坐標(biāo)值，bn1、bn2分別為第n個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值和真值的縱坐標(biāo)值，Zn1、Zn2分別為第n個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值和真值的高程值。

航拍前已經(jīng)通過RTK測(cè)量了檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將其作為真值，利用處理后的正射影像疊加DSM成果，找到檢查點(diǎn)的位置，讀取出正射影像成果和DSM成果上檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作為測(cè)量值；為了使3次處理實(shí)驗(yàn)讀取的圖上位置完全相同，每次讀取精確到相同的像素上。最后計(jì)算出平面誤差、高程誤差、平面中誤差和高程中誤差，并進(jìn)行精度對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1和表2。

表1 部分點(diǎn)成果精度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)Tab.1 Statistical table of products accuracy(unit：m)

表2 中誤差結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(單位：m)Tab.2 Statistical table of mean square error(unit：m)

從表1可以看出，有像控點(diǎn)的結(jié)果(第1次RTK成果和第2次RTK成果)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于無像控點(diǎn)的結(jié)果，刺點(diǎn)的照片越多(第2次RTK成果)，整體誤差也越小。從表2中誤差計(jì)算結(jié)果表明，具有像控點(diǎn)的成果平面中誤差和高程中誤差均遠(yuǎn)低于無像控點(diǎn)成果，中誤差要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

4 像控點(diǎn)對(duì)面積計(jì)算的影響

隨機(jī)選取壩區(qū)正射影像中的一個(gè)山體和一塊農(nóng)田作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，計(jì)算有無像控點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，山體和農(nóng)田的位置和情況分別如圖3和圖4所示。

圖3 面積實(shí)驗(yàn)的山體和農(nóng)田在壩區(qū)的位置示意Fig.3 The location of mountain and farmland area experiment in the dam

從圖4可以看出，無像控點(diǎn)的正射影像成果水平定位偏差比較大，前面成果檢查已經(jīng)有很好的體現(xiàn)，特別是大比例尺成果圖上能更加明顯的顯示出這種差異(圖4a比例尺是1∶1 500，4b比例尺是1∶12 000)。計(jì)算得出，通過無像控的DSM成果計(jì)算山體表面積為583 860 m2，有像控點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果為527 313 m2，相差約10%左右；農(nóng)田無像控點(diǎn)正射影像面積為1 315.16 m2，有像控點(diǎn)的結(jié)果為1 315.76 m2，面積幾乎沒有差別。因而，利用無人機(jī)作為壩區(qū)農(nóng)田種植面積計(jì)算，可以不需要像控點(diǎn)，如果是計(jì)算山體等地形起伏大的對(duì)象表面積，則需要像控點(diǎn)來提高高程的精度，進(jìn)而提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖4 面積試驗(yàn)范圍(a：山體，b：農(nóng)田)Fig.4 Area experiment range(a:Mountain,b:Farmland)

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，使用大疆御2PRO無人機(jī)結(jié)合少量RTK像控點(diǎn)可以得到定位精度較高的正射影像和精度較高的DSM成果，像控點(diǎn)數(shù)量肯定越多越好，但如果時(shí)間緊任務(wù)重，沒有足夠的時(shí)間布設(shè)像控點(diǎn)，則在研究區(qū)四個(gè)角布設(shè)幾個(gè)像控點(diǎn)的結(jié)果會(huì)遠(yuǎn)好于沒有像控點(diǎn)的結(jié)果，而且無像控點(diǎn)的DSM成果會(huì)影響地形起伏大的體表面積計(jì)算結(jié)果的精度，但如果只需要計(jì)算正射影像的面積，則無像控點(diǎn)對(duì)結(jié)果幾乎沒有影響，可以無需布設(shè)像控點(diǎn)，從而節(jié)省布設(shè)像控點(diǎn)的大量時(shí)間。