補(bǔ)充構(gòu)架航線在低精度POS航攝數(shù)據(jù)測圖中的應(yīng)用

鄧永火

(廈門圖辰信息科技有限公司, 福建 廈門 361008)

0 引言

隨著遙感影像數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用,快速獲取最新的遙感影像數(shù)據(jù)顯的尤為重要。利用無人機(jī)搭載各類傳感器進(jìn)行低空航攝獲取各類數(shù)據(jù)的手段已被測繪各界所認(rèn)可,也是解決快速獲取數(shù)據(jù)的重要手段,這一技術(shù)也為現(xiàn)代測繪的發(fā)展起到關(guān)鍵作用[1]。

無人機(jī)在低空遙感領(lǐng)域的應(yīng)用也有十余年,無人機(jī)廠商越來越多,且種類多樣,自身飛控、飛行安全、飛行時(shí)間、搭載的傳感器等都有著顯著提升,這也讓無人機(jī)系統(tǒng)在測繪行業(yè)逐漸成為不可缺少的設(shè)備[2]。近年來測繪單位大量采購無人機(jī)航攝設(shè)備,其中大多數(shù)固定翼無人機(jī)暫未安裝動態(tài)差分定位模塊,無法獲得高精度位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)信息數(shù)據(jù)[3],這就需要在內(nèi)業(yè)空三加密過程,提供大量的像片控制點(diǎn)成果,以滿足精度要求。近幾年,隨著差分定位技術(shù)的不斷完善,差分模塊也不斷向微型、高性能發(fā)展,其在無人機(jī)上的應(yīng)用也越來越普遍,實(shí)時(shí)動態(tài)(Real Time Kinematic,RTK)和動態(tài)后處理(Post Processing Kinetic,PPK)成為了提升無人機(jī)定位精度的關(guān)鍵技術(shù)[4]。據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),使用雙頻全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機(jī),在運(yùn)動條件下的定位精度可以達(dá)到厘米級,將差分模塊集成于無人機(jī)上,經(jīng)輔助光束法平差,同樣可以獲得厘米級的對地定位精度,適用于快速三維構(gòu)建與地形成圖[5]?？梢?差分技術(shù)為攝影測量作業(yè)提供了精度保障,也為減少野外工作量指明了方向,其中,部分學(xué)者在輔助光束法平差的基礎(chǔ)上,采用構(gòu)架航線布設(shè)模式,增加了影像的重疊范圍,實(shí)現(xiàn)影像關(guān)聯(lián)的加固,進(jìn)而提升了平差的魯棒性[6],經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在大比例尺測圖中,僅需在區(qū)域范圍布設(shè)4個(gè)角點(diǎn)即可滿足精度要求。

本文致力于研究在減少野外作業(yè)量的同時(shí),如何更大化地利用現(xiàn)存的含低精度POS信息的影像數(shù)據(jù),進(jìn)而達(dá)到測圖精度要求?？紤]大疆公司研制的精靈4 RTK四旋翼無人機(jī)集成了全新的RTK模塊,擁有強(qiáng)大的抗磁干擾和精準(zhǔn)定位能力,不僅飛行姿態(tài)穩(wěn)定,而且可以提供實(shí)時(shí)厘米級的實(shí)時(shí)定位精度。利用這樣的優(yōu)勢來執(zhí)行架構(gòu)航線的飛行任務(wù),就能獲得很穩(wěn)定的高精度的架構(gòu)航線影像坐標(biāo),再加上少量分布均勻的控制點(diǎn),探索是否可以提升空三加密的成果精度,在降低成本的同時(shí)能否提高生產(chǎn)效率。因此，本文將對實(shí)驗(yàn)中所獲得的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行闡述和說明。

1 原理與方法

1.1 構(gòu)架航線下的區(qū)域網(wǎng)平差原理

攝影測量的野外控制點(diǎn)布設(shè)方案中有兩種控制點(diǎn)布設(shè)形式:一是在常規(guī)航線的兩端布設(shè)高程控制點(diǎn);二是在常規(guī)航線的基礎(chǔ)上增飛兩條垂直的構(gòu)架航線,并在任務(wù)區(qū)域四個(gè)角分別布設(shè)平高控制點(diǎn)。對于一般航攝條件而言,航線之間滿足4度或者6度重疊,構(gòu)架航線與常規(guī)航線之間同樣滿足這樣的重疊條件,但在空中三角測量過程,我們選擇一條構(gòu)架航線與兩條常規(guī)航線間的連接點(diǎn),這樣可以達(dá)到6度甚至9度重疊?？梢?構(gòu)架航線的引入能較好地得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)點(diǎn),有效消除GNSS的漂移誤差,下面以高程平差為例,建立誤差方程。

設(shè)常規(guī)航線標(biāo)號為i、i+1,構(gòu)架航線標(biāo)號為j,可以列出如下誤差方程式:

(1)

經(jīng)做差消去ZT,得到改化后的誤差方程形式如下:

(2)

構(gòu)建航線參與空中三角測量,可加密出大量連接點(diǎn),增加模型穩(wěn)定性,因此，可以降低對控制點(diǎn)的需求。將高精度差分GNSS攝站坐標(biāo)應(yīng)用于區(qū)域網(wǎng)平差過程,可進(jìn)一步提升模型對地定位精度,減少控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量。

1.2 GNSS輔助空中三角測量方法

GNSS輔助光束法平差是指在空中三角測量過程中,將差分GNSS模塊獲取的高精度位置信息作為觀測量，與像點(diǎn)坐標(biāo)、地面點(diǎn)坐標(biāo)、檢校參數(shù)一同參與到聯(lián)合平差的過程[9]。輔助光束法平差可以有效降低連接網(wǎng)的偏移誤差,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將地面控制轉(zhuǎn)移到空中絕對定位。此時(shí),再引入少量地面控制點(diǎn)后,就可以校準(zhǔn)GNSS系統(tǒng)誤差,完成基準(zhǔn)統(tǒng)一,達(dá)到減少控制點(diǎn)需求數(shù)量的目的。

根據(jù)攝影測量共線條件方程,列得誤差方程如式(3)所示:

(3)

由于本文常規(guī)航線和構(gòu)架航線所獲取攝站坐標(biāo)精度不一致,因此,應(yīng)用式(4)評定GNSS攝站坐標(biāo)的權(quán)矩陣:

(4)

(5)

經(jīng)最小二乘平差解算,獲得各觀測值最優(yōu)解。

2 研究概況

2.1 研究區(qū)域情況

實(shí)驗(yàn)選取某丘陵地區(qū),地理位置在34°30″～34°32″N和113°05″～113°06″E,總面積約3 km2,測區(qū)屬北暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明、溫差大,常年干旱少雨,降水量多集中在6～8月。年平均氣溫14 ℃,無霜期238 d,年平均降雨量641 mm,全年日照時(shí)間約2 400 h,光照充足,7月份最熱,1月最冷,晝夜溫差大。測區(qū)分布包括植被、河流、村莊、道路等,利于無人機(jī)飛行與控制點(diǎn)布設(shè)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)選用精靈4 RTK四旋翼無人機(jī)作為航攝平臺,為保證立體測圖的影像重疊要求,在航線規(guī)劃時(shí)將航向重疊度設(shè)置為80%,旁向重疊度設(shè)置為60%。首先,在未使用RTK功能的情況下,完成測區(qū)南北常規(guī)5條航線飛行任務(wù),獲取影像179張;而后,架設(shè)基準(zhǔn)站,使用RTK功能,完成東西2條航線飛行,獲取影像34張,即共獲取影像213張。無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 精靈4 RTK無人機(jī)系統(tǒng)

與此同時(shí),在任務(wù)區(qū)域應(yīng)用RTK量測了34個(gè)點(diǎn)位作為地面控制點(diǎn)與檢查點(diǎn),點(diǎn)位平面坐標(biāo)系為CGCS2000,三度帶投影,高程采用正常高,任務(wù)區(qū)域地理概況和點(diǎn)位分布情況如圖2所示。

圖2 區(qū)域地理概況和點(diǎn)位分布情況

2.3 作業(yè)流程

利用無人機(jī)航空遙感資料,根據(jù)野外實(shí)測控制點(diǎn)進(jìn)行全數(shù)字空中三角測量計(jì)算,采用inpho無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量工作站,通過光束區(qū)域網(wǎng)整體平差,得到加密點(diǎn)坐標(biāo)成果及相片外方位元素,組織實(shí)施測區(qū)1∶2 000比例尺數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG)數(shù)據(jù)生產(chǎn),無人機(jī)影像處理流程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)影像處理流程

3 研究方法

3.1 補(bǔ)充架構(gòu)航線設(shè)計(jì)

為改善航攝過程產(chǎn)生的偏移誤差,傳統(tǒng)空中三角測量要求在航線兩端布設(shè)控制點(diǎn),實(shí)現(xiàn)精度校正[7]。構(gòu)架航線的增設(shè)可以有效提高影像重疊維度,提升連接點(diǎn)數(shù)量,在某種程度上,達(dá)到了加固平差網(wǎng)的目的[8]。本文在常規(guī)航線的基礎(chǔ)上,布設(shè)兩條垂直于常規(guī)航線的構(gòu)架航線,如圖4所示。其中,構(gòu)架航線采用RTK定位功能,可以獲取高精度影像位置信息,故在增強(qiáng)模型穩(wěn)定性的同時(shí),能夠進(jìn)一步降低對控制點(diǎn)的需求。

圖4 構(gòu)架航線布設(shè)形式

3.2 精度評定原則

GNSS輔助光束法平差恢復(fù)了影像的空間絕對位置,建立了像點(diǎn)、地面點(diǎn)的幾何關(guān)系。因此,對于影像上的任意像點(diǎn),均可通過計(jì)算獲得其對應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)[10]。本文通過野外控制測量的方式布設(shè)了一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)與檢查點(diǎn),其中檢查點(diǎn)也可以通過模型解算獲得坐標(biāo),因此，可以統(tǒng)計(jì)出檢查點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)方向的中誤差ux,uy,uz,如式(6)所示:

(6)

式中,(Xw,Yw,Zw)表示經(jīng)外業(yè)測得的坐標(biāo)值；(Xn,Yn,Zn)表示經(jīng)輔助光束法平差解算所得的坐標(biāo)值；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

本文在影像處理時(shí)設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn),第一組實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證補(bǔ)充構(gòu)架航線的引入能否提升影像的對地定位精度;第二組實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證補(bǔ)充構(gòu)架航線能否有效降低對控制點(diǎn)數(shù)量的需求,并探究最優(yōu)的控制點(diǎn)布設(shè)原則。其中實(shí)驗(yàn)一主要對兩種方案實(shí)施精度比較,實(shí)驗(yàn)二是對四種方案實(shí)施精度比較,每種方案的設(shè)置情況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案情況

對以上實(shí)驗(yàn)方案采用inpho軟件進(jìn)行空三加密,并完成控制點(diǎn)刺點(diǎn)與檢查點(diǎn)立體量測,空中三角測量的具體實(shí)施要求包括以下幾個(gè)方面:

(1)空中三角測量正式實(shí)施前,應(yīng)進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作。包括進(jìn)行加密分區(qū),創(chuàng)建測區(qū)目錄、測區(qū)信息文件、攝影信息文件、控制點(diǎn)坐標(biāo)信息文件,進(jìn)行影像畸變改正并制作金字塔影像。

(2)平差方法:光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差。

(3)空中三角測量采用半自動交互式作業(yè)方式,每個(gè)像對連接點(diǎn)應(yīng)分布均勻,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位區(qū)應(yīng)有連接點(diǎn)。自動相對定向時(shí),每個(gè)像對連接點(diǎn)數(shù)目一般不少于30個(gè)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位區(qū)落水時(shí),應(yīng)沿水涯線均勻選擇連接點(diǎn),增強(qiáng)連接強(qiáng)度。

(5)航向連接點(diǎn)宜3度重疊,旁向連接點(diǎn)宜6度重疊,作業(yè)范圍線以外應(yīng)有連接點(diǎn)。

(6)加密區(qū)應(yīng)選取一定數(shù)量的檢查點(diǎn),用于DOM、DEM、DLG成果精度評定。

4.2 結(jié)果與分析

首先,對實(shí)驗(yàn)1的2種方案實(shí)施空中三角測量計(jì)算,將模型中拾取的檢查點(diǎn)坐標(biāo)與野外測量結(jié)果對比后,統(tǒng)計(jì)16個(gè)檢查點(diǎn)的相對誤差情況,如圖5所示。

圖5 檢查點(diǎn)相對誤差統(tǒng)計(jì)情況

應(yīng)用公式(4)計(jì)算圖5所示的相對誤差結(jié)果,得到兩個(gè)方案下檢查點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)方向的中誤差情況,如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)一檢查點(diǎn)中誤差

本文通過實(shí)驗(yàn)二設(shè)計(jì)的4種計(jì)算方案,驗(yàn)證在構(gòu)架航線條件下,引入控制點(diǎn)后影像的對地定位精度及對控制點(diǎn)數(shù)量的依賴程度。在實(shí)施空中三角測量計(jì)算后,同樣將檢查點(diǎn)的模型拾取坐標(biāo)與野外測量結(jié)果作對比,得到相對誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果后,計(jì)算各方案下檢查點(diǎn)的中誤差情況,如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)二檢查點(diǎn)中誤差

實(shí)驗(yàn)一,在未使用構(gòu)架航線時(shí)檢查點(diǎn)在三個(gè)方向的中誤差為:ux=1.20 m;uy=1.17 m;uz=1.69 m,在引入含有高精度構(gòu)架航線后,檢查點(diǎn)在三個(gè)方向的中誤差為:ux=0.49 m;uy=0.82 m;uz=1.55 m?？梢?構(gòu)架航線的引入能有效提升空中三角測量精度,其中在水平方向上精度提升明顯,高程方向提升略差。

實(shí)驗(yàn)二,通過四種方案下檢查點(diǎn)的中誤差對比,在采用常規(guī)航線和傳統(tǒng)控制點(diǎn)布設(shè)模式下,檢查點(diǎn)在三個(gè)方向的中誤差為:ux=0.05 m，uy=0.04 m，uz=0.13 m；采用構(gòu)架航線后,當(dāng)引入4個(gè)角控制點(diǎn)時(shí),檢查點(diǎn)在三個(gè)方向的中誤差為:ux=0.13 m，uy=0.09 m，uz=0.25 m；當(dāng)引入4個(gè)角控制點(diǎn)和區(qū)域中間2個(gè)控制點(diǎn)后,檢查點(diǎn)在三個(gè)方向的中誤差為:ux=0.06 m，uy=0.05 m，uz=0.11 m；當(dāng)引入4個(gè)角控制點(diǎn)和區(qū)域中間4個(gè)控制點(diǎn)后,檢查點(diǎn)在三個(gè)方向的中誤差為:ux=0.04 m，uy=0.05 m，uz=0.09 m?？梢?在引入構(gòu)架航線后,僅需布設(shè)少量的地面控制點(diǎn)就可以大幅度提升影像的對地定位精度,就本文實(shí)驗(yàn)而言,當(dāng)引入?yún)^(qū)域6個(gè)控制點(diǎn)后,空中三角測量精度就與傳統(tǒng)航線布設(shè)18個(gè)控制點(diǎn)方案精度相當(dāng),當(dāng)繼續(xù)增加控制點(diǎn)數(shù)量,精度提升則不再明顯。因此,本文補(bǔ)充構(gòu)架航線的最佳控制點(diǎn)布設(shè)模式即為4個(gè)角控制點(diǎn)與2個(gè)區(qū)域中間控制點(diǎn)。

5 結(jié)束語

在利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)實(shí)施地形圖生產(chǎn)過程中,為降低野外控制點(diǎn)布設(shè)的工作量,本文設(shè)計(jì)了補(bǔ)充構(gòu)架航線并分析了其對空中三角測量精度的影響,在GNSS輔助光束法平差過程中,通過合理設(shè)置不同觀測值權(quán)重,提升了模型的解算精度與穩(wěn)定性。經(jīng)兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),對不同數(shù)據(jù)處理方案實(shí)施精度分析,得出補(bǔ)充構(gòu)架航線能有效提升光束法平差精度,減少野外控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量,當(dāng)選用4個(gè)角控制點(diǎn)與2個(gè)區(qū)域中間控制點(diǎn)的布局時(shí),測量精度最佳,滿足大比例尺測圖精度要求。