無人機(jī)航測像控點(diǎn)布設(shè)方案探討

李真真,陳 虎

(1.蒼穹數(shù)碼技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430073;2.中石化江漢石油工程設(shè)計(jì)有限公司,湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,低空無人機(jī)航空攝影測量以其機(jī)身小巧、操作靈活、成本低、起降方便、便于轉(zhuǎn)運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用,已經(jīng)成了空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段[1],在測繪行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。這種手段適用于快速獲取小面積、高精度的大比例數(shù)字地圖,可以降低外業(yè)工作強(qiáng)度、節(jié)省外業(yè)工作量、提高工作效率。

像控點(diǎn)布設(shè)和測量是航空攝影測量的重要工作,也是成果文件的定位基礎(chǔ),直接影響最終交付產(chǎn)品的精度指標(biāo)。同時(shí),像控點(diǎn)布設(shè)是現(xiàn)場消耗時(shí)間和人力物力比較多的工作之一,也影響著項(xiàng)目的成本和效益。近年來,隨著無人機(jī)定位技術(shù)的進(jìn)步和相機(jī)精度的提高,相對于傳統(tǒng)航空攝影測量,無人機(jī)航空攝影測量對像控點(diǎn)數(shù)量的要求有所下降,有些無人機(jī)標(biāo)稱已達(dá)到免像控測量,但對于精度要求較高的工程項(xiàng)目而言必須布設(shè)野外像控點(diǎn)[2]。像控點(diǎn)布設(shè)方案直接影響最終精度和工作效率,增加像控點(diǎn)的數(shù)量有利于提高空三解算的精度,但如果像控點(diǎn)自身測量精度不一致且位置不合理,空三解算精度反而會隨著像控點(diǎn)數(shù)量的增加而降低[3]。在滿足大比例尺測圖精度要求的前提下,為保證合適的效率和經(jīng)濟(jì)效益,選擇適合的像控點(diǎn)布設(shè)方案也就成了實(shí)際工作中遇到的難題。

本文以像控點(diǎn)布設(shè)方案為研究對象,結(jié)合某工程實(shí)例,采用大疆精靈4 RTK(Phantom 4 RTK)小型多旋翼高精度航測無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)。其搭載1英寸CMOS,相機(jī)有效像素2 000萬,具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng),集成RTK 模塊,擁有精準(zhǔn)定位能力,提供實(shí)時(shí)厘米級定位數(shù)據(jù),同時(shí)支持 PPK 后處理,并可通過無線網(wǎng)卡或Wi-Fi熱點(diǎn)與NTRIP連接。在航飛范圍內(nèi)布設(shè)多個(gè)地面像控點(diǎn)并將它們進(jìn)行分組,每組內(nèi)含有不同數(shù)量的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn),通過內(nèi)業(yè)計(jì)算軟件大疆智圖進(jìn)行空三解算和區(qū)域網(wǎng)平差,得到不同分組對應(yīng)的空三結(jié)算結(jié)果,對此結(jié)果進(jìn)行分析比較,探討不同像控點(diǎn)布設(shè)方案對精度輸出的影響。

1 像控點(diǎn)布設(shè)

1.1 像控點(diǎn)布設(shè)原則

在測區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)是為了使無人機(jī)影像和地面坐標(biāo)系建立聯(lián)系,將相片空間坐標(biāo)糾正到地面坐標(biāo)系中,保證最終二、三維航飛成果的地理精度,便于后期制作地形圖等圖件。像控點(diǎn)布設(shè)的基本原則有:像控點(diǎn)宜均勻地布設(shè)在測區(qū)范圍內(nèi),像控點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰,易于判刺和立體量測。像控點(diǎn)應(yīng)能公用,單航線宜布設(shè)在航向3片重疊范圍內(nèi),多航線宜布設(shè)在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi),并確保像控點(diǎn)在相鄰各片的影像清晰。高程控制點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)應(yīng)選在高程起伏較小的地方,以線狀地物的交點(diǎn)和平山頭為宜;狹溝、尖銳山頂和高程起伏較大的斜坡等均不宜選作點(diǎn)位目標(biāo)。像控點(diǎn)點(diǎn)位距相片邊緣不應(yīng)小于150像素。測區(qū)四角及航線交叉處應(yīng)布設(shè)像控點(diǎn)。位于自由圖邊、待成圖邊以及其他方法成圖的圖邊控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在圖廓線外[4]。

1.2 像控點(diǎn)布設(shè)方法

像控點(diǎn)可在航飛作業(yè)實(shí)施前進(jìn)行布設(shè)。利用油漆、沾標(biāo)板和膠帶等材料在無遮擋的地面設(shè)置像控標(biāo)志,這種做法能夠得到比較明顯的像控點(diǎn),便于后期測量坐標(biāo)和刺點(diǎn),但也存在像控點(diǎn)丟失、壓蓋等風(fēng)險(xiǎn),影響最終像控點(diǎn)數(shù)量。

像控點(diǎn)可在航飛作業(yè)實(shí)施后進(jìn)行布設(shè)。航飛完成后,通過影像判讀刺點(diǎn),合理布局像控點(diǎn)位置,可以是道路標(biāo)線、路口或線狀地物交點(diǎn)等,再安排人員到現(xiàn)場對像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行采集。這種方法可大大減少外業(yè)布控的時(shí)間,但精度和判讀的準(zhǔn)確性不如航飛前布設(shè)像控點(diǎn)[5]。

除此之外,在實(shí)際工作中,工程人員往往結(jié)合上述兩種方法,先布設(shè)少數(shù)人工像控點(diǎn),在采集這些控制點(diǎn)坐標(biāo)的過程中,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對沿途道路標(biāo)線、路口或線狀地物交點(diǎn)等位置進(jìn)行坐標(biāo)采集。這些點(diǎn)在內(nèi)業(yè)處理過程中可作為像控點(diǎn)或者檢查點(diǎn)參與空三解算,從而提高精度,也便于檢查最終結(jié)果的可靠性。

1.3 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)測量可采用光電導(dǎo)線或GNSS-RTK等測量方法,GNSS-RTK測量技術(shù)又分為單基站RTK和網(wǎng)絡(luò)RTK。單基站RTK要求基準(zhǔn)站設(shè)在地勢相對較高、無強(qiáng)烈干擾或阻礙接收衛(wèi)星信號的位置,流動站距基準(zhǔn)站的距離不宜超過10 km,電臺頻率不應(yīng)與測區(qū)其他無線電通信頻率沖突。網(wǎng)絡(luò)RTK以其單人單機(jī)作業(yè)、攜帶方便等優(yōu)勢逐漸成了主流測量方式,它要求測量儀器位于網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍內(nèi)。無論哪種測量方法都應(yīng)在開闊地帶進(jìn)行流動站的初始化,接收衛(wèi)星不應(yīng)少于5顆,PODP值應(yīng)小于6,當(dāng)獲得固定解后應(yīng)檢測2個(gè)以上的控制點(diǎn),檢測結(jié)果不大于相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定,然后再進(jìn)行測量作業(yè)。

像控點(diǎn)測量精度對最近等級控制點(diǎn)的平面位置中誤差應(yīng)小于地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5,高程中誤差應(yīng)小于基本等高距的1/10。

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施與分析

某工程位于湖北省棗陽市在建高速公路工地,地形分類屬平原地區(qū),根據(jù)設(shè)計(jì)要求需測繪1∶500地形圖,測圖范圍為中軸線兩側(cè)各200 m。利用大疆精靈4 RTK無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)航飛作業(yè)。

根據(jù)規(guī)范要求,影像地面分辨率(GSD)需優(yōu)于5 cm,為確保地物在三維模型中清晰可辨,地理位置精度可靠、達(dá)標(biāo),相對航高利用公式進(jìn)行計(jì)算。

H=f×GSD/a

式中,H為相對航高,f為攝影鏡頭的焦距,GSD為影像的地面分辨率,a為像元尺寸的大小。

本工程設(shè)計(jì)航高150 m,對應(yīng)影像地面分辨率為4.1 cm,滿足規(guī)范要求。航向重疊度80%,旁向重疊度60%,飛行當(dāng)天天氣晴朗,能見度高。在工程矩形區(qū)域內(nèi)共飛行10個(gè)航帶,拍攝照片413張。

根據(jù)本文上述像控點(diǎn)布設(shè)原則、方法等要求,在航飛工作開始前,在現(xiàn)場利用油漆和地面固定標(biāo)志共布設(shè)像控點(diǎn)15個(gè),以保證后期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組時(shí)對像控點(diǎn)數(shù)量的要求。

無人機(jī)航測外業(yè)完成后,采用內(nèi)業(yè)處理軟件大疆智圖通過光束法進(jìn)行空中三角測量,由于大疆無人機(jī)拍攝的影像已將POS數(shù)據(jù)融合入照片,照片導(dǎo)入大疆智圖后直接加入像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行刺點(diǎn)和空三優(yōu)化,完成區(qū)域網(wǎng)平差,由軟件生成空三報(bào)告,可通過調(diào)整控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)數(shù)量來評估空三質(zhì)量,找到能夠滿足規(guī)范精度要求時(shí)需使用的控制點(diǎn)數(shù)量。

《油氣田工程測量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50537—2017)[4]要求測區(qū)四角及航線交叉處應(yīng)布設(shè)像控點(diǎn),本次實(shí)驗(yàn)在測圖區(qū)域內(nèi)按以下5個(gè)方案分別布點(diǎn):方案一在測區(qū)四角布4 個(gè)像控點(diǎn);方案二在測區(qū)四角和中間布5個(gè)像控點(diǎn);方案三在測區(qū)四角和中間布6個(gè)像控點(diǎn);方案四在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)8 個(gè)像控點(diǎn);方案五在測區(qū)均勻布設(shè)11 個(gè)像控點(diǎn)。每種方案剩余其他點(diǎn)作為對應(yīng)方案的檢查點(diǎn),通過對比分析各方案檢查點(diǎn)中誤差來優(yōu)選控制點(diǎn)布點(diǎn)方案和數(shù)量。

以《油氣田工程測量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50537—2017)航空攝影測量空中三角測量1∶500檢查點(diǎn)平面位置精度中誤差0.175 m、高程精度中誤差0.15 m為最大限值,對像控點(diǎn)不同布設(shè)方案的區(qū)域網(wǎng)平差解算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示。

表1 不同布點(diǎn)方案精度統(tǒng)計(jì)

從上表數(shù)據(jù)可以看出:方案一在四周布點(diǎn)的方式檢查點(diǎn)高程中誤差超限,方案二至方案五的檢查點(diǎn)平面中誤差和高程中誤差都滿足規(guī)范要求,方案三至方案五中隨著像控點(diǎn)數(shù)量的增加空三解算精度并沒有提高很多,反而在方案五中精度出現(xiàn)了下降,說明增加像控點(diǎn)數(shù)量并不能無限制提高精度。在均勻分布的前提下,方案二和方案三都得到了很好的精度結(jié)果。

3 結(jié)語

在滿足規(guī)范和工期要求下,按照方案二、三均勻布設(shè)像控點(diǎn)能夠得到較好的精度指標(biāo)。并且方案二、三中僅使用5～6個(gè)像控點(diǎn),比方案四和方案五少布設(shè)3～6個(gè)像控點(diǎn),在外業(yè)工作中也節(jié)約了時(shí)間、人力、物力,能夠獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。像控點(diǎn)數(shù)量能夠直接影響空三精度和最終模型精度,控制點(diǎn)在四周和中間均與布點(diǎn)時(shí)精度最高,隨著控制點(diǎn)數(shù)量的增加,平面精度和高程精度不一定會隨之增高,按照方案二、三中布點(diǎn)方案為這一類航飛項(xiàng)目的最優(yōu)像控點(diǎn)布設(shè)方案。

在實(shí)際工作中,影響空三精度的因素有很多,如刺點(diǎn)精度、像控點(diǎn)可辨識度、飛行高度、天氣情況等,本文也僅對一個(gè)工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,今后將進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探討其他因素,以期對無人機(jī)航測工作提供有益參考。