無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方案優(yōu)化研究

呂樹(shù)春

（自然資源部第二大地測(cè)量隊(duì)（黑龍江第一測(cè)繪工程院），黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的普及應(yīng)用大大降低了設(shè)備成本，同時(shí)也為低成本高效率的大范圍地物測(cè)繪提供了可能。相較于專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)設(shè)備，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)不僅自身設(shè)備成本相對(duì)較低，且具有方便攜帶、操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)［1］，通過(guò)搭載高分辨率相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率地物影像的快速獲取，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方式僅能夠從單一角度獲取地物信息的弊端，在保障測(cè)繪成果質(zhì)量的同時(shí)降低了航攝作業(yè)測(cè)繪成本，提高了測(cè)圖效率。

消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)可以搭載單鏡頭和多鏡頭進(jìn)行航攝作業(yè)［2］，為追求持續(xù)續(xù)航作業(yè)，目前普遍采用單鏡頭作業(yè)方式，航攝效率較高，但單鏡頭作業(yè)方式對(duì)于地物信息的全方位影像獲取存在一定的局限性［3］，航攝影像及實(shí)景三維模型成果較難滿(mǎn)足生產(chǎn)使用要求。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭作業(yè)方式進(jìn)行分析研究，通過(guò)在大疆精靈4無(wú)人機(jī)上搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝作業(yè)，對(duì)像控點(diǎn)數(shù)量及影像傾向?qū)罩腥菧y(cè)量精度的影響以及不同像控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行分析，探索不同應(yīng)用條件下的像控點(diǎn)最佳布設(shè)方式，進(jìn)一步改善消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在數(shù)字化城市建設(shè)中應(yīng)用方式，提高數(shù)字城市三維實(shí)景模型成果精度。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取

本次研究選用某學(xué)校場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，校區(qū)總面積約為0.44 km2，教學(xué)樓等建筑分布較為密集，多為6 層左右的低矮建筑，但存在體育館、天文臺(tái)等形狀不規(guī)則的建筑類(lèi)型，同時(shí)校區(qū)內(nèi)還存在人工湖、低矮小山丘、綠化用地以及硬化路面等，地物類(lèi)型相對(duì)較為豐富，具有較強(qiáng)的典型性，能夠最大程度模擬城市真實(shí)環(huán)境。

本次研究采用大疆公司推出的大疆精靈4 多旋翼航拍消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，整體操控性能較為優(yōu)良，機(jī)身輕便靈活，續(xù)航能力強(qiáng)，且采購(gòu)費(fèi)用相對(duì)較低，適合小范圍區(qū)域內(nèi)的航攝作業(yè)［4］。無(wú)人機(jī)上搭載的傾斜攝影鏡頭為KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)，該相機(jī)是為大疆精靈4 定制研發(fā)的新型傾斜攝影系統(tǒng)，重量相對(duì)較小，像素較高，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率地物影像的全方位快速采集［5］。無(wú)人機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表1所示，相機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表1 大疆精靈4 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)參數(shù)

表2 KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)參數(shù)

由于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力有限，為確保無(wú)人機(jī)在完成航攝作業(yè)的同時(shí)能夠順利返航，需依據(jù)測(cè)區(qū)大小進(jìn)行分區(qū)作業(yè)。本次研究將研究區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域，航攝作業(yè)相對(duì)航高為200 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，共計(jì)獲得了780 張下視航攝影像，2945 張傾斜影像。以?xún)A斜攝影垂直和傾斜傾向的外方位元素為依據(jù)，采用并行算法對(duì)航攝影像進(jìn)行多視影像精準(zhǔn)匹配，構(gòu)建密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取航攝影像中的同名點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)而生成數(shù)字地表模型。

2 空中三角測(cè)量精度評(píng)價(jià)

空中三角測(cè)量是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的核心環(huán)節(jié)，其成果精度會(huì)對(duì)傾斜攝影測(cè)量成果質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，能夠在一定程度上反映傾斜攝影測(cè)量成果質(zhì)量。本次研究采用搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)的大疆精靈4 無(wú)人機(jī)獲取試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)下視影像和不同方向的傾斜影像，通過(guò)改變像控點(diǎn)數(shù)量的形式對(duì)傾斜影像、下視影像以及多視影像的空三精度進(jìn)行分析研究，分別統(tǒng)計(jì)布設(shè)不同數(shù)量像控點(diǎn)的情況下，傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差，計(jì)算式如式（1）所示：

式中：ms為航攝影像平面中誤差；mh為航攝影像高程中誤差；mx為x方向的坐標(biāo)中誤差；my為y方向的坐標(biāo)中誤差。

本次研究在該校區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，按照相同航線(xiàn)、相同航攝參數(shù)進(jìn)行外業(yè)航攝作業(yè)，逐漸增加像控點(diǎn)數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同影像空三成果精度對(duì)比

圖2 傳統(tǒng)攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方案

由圖1 可知：隨著像控點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，傾斜影像、下視影像以及多視影像空三解算成果的平面及高程中誤差均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即多種影像空三解算成果平面和高程精度均有所提高；當(dāng)像控點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，航攝影像精度相對(duì)較差，不斷增加像控點(diǎn)數(shù)量，中誤差大幅度降低，其中傾斜影像下降幅度最大，多視影像下降幅度最?。划?dāng)像控點(diǎn)數(shù)量達(dá)到15 個(gè)之后，中誤差開(kāi)始逐漸趨于平穩(wěn)，持續(xù)增加像控點(diǎn)數(shù)量航攝影像精度也無(wú)法得到有效提升。因此表明在本次航攝作業(yè)過(guò)程中，為追求航攝影像精度和外業(yè)測(cè)量工作量的最優(yōu)組合，應(yīng)將像控點(diǎn)數(shù)量保持在15 個(gè)左右。

對(duì)相同數(shù)量像控點(diǎn)條件下傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差進(jìn)行分析可得，無(wú)論布設(shè)多少個(gè)像控點(diǎn)，傾斜影像空三解算成果平面和高程中誤差均高于下視影像和多視影像，且多視影像中誤差最低；當(dāng)像控點(diǎn)數(shù)量為4 個(gè)時(shí)，3 種影像空三解算成果平面和高程中誤差均達(dá)到最大值，其中，傾斜影像空三解算成果平面中誤差為0.146 2 m，高程中誤差為0.064 5 m；下視影像空三解算成果平面中誤差為0.093 3 m，高程中誤差為0.026 4 m；多視影像空三解算成果平面中誤差為0.075 0 m，高程中誤差為0.007 8 m。這些均能滿(mǎn)足《工程攝影測(cè)量規(guī)范》中對(duì)于空三加密成果的精度要求，但傾斜影像空三解算成果精度較差，多視影像空三解算成果精度最優(yōu)，分析原因?yàn)橄衿瑑A斜時(shí)容易引發(fā)像點(diǎn)位移，從而使得影像成果誤差變大。

綜上所述，采用五鏡頭相機(jī)進(jìn)行航攝作業(yè)，合理布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量，獲取多視影像數(shù)據(jù)，能夠大大降低野外數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量，同時(shí)可以保障最優(yōu)航攝影像精度。但由于研究區(qū)面積僅為0.44 km2，面積較小，地表建筑和地物類(lèi)型種類(lèi)有限，地形起伏相對(duì)較小，存在一定的局限性，有待后續(xù)采用復(fù)雜城市環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步論證。

3 傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案

傳統(tǒng)攝影測(cè)量航攝作業(yè)多采用如圖3 所示的幾種像控點(diǎn)布設(shè)方案，盡可能使得像控點(diǎn)能夠覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)［6］。但由于不同航攝測(cè)區(qū)特點(diǎn)不同，傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案往往較難實(shí)施，且航攝成果精度相對(duì)較差，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)使用需求。在傾斜攝影數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，一般將航攝重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度控制在70%～80% 之間［7］，采用圖3 中的像控點(diǎn)布設(shè)形式容易造成測(cè)區(qū)中間區(qū)域航攝影像較為密集，而四周區(qū)域航攝影像較為稀疏，從而使得測(cè)區(qū)四周邊緣區(qū)域精度相對(duì)較差［8］。因此，為提高航攝作業(yè)成果精度，同時(shí)最大程度減少像控點(diǎn)數(shù)量，降低野外數(shù)據(jù)采集工作強(qiáng)度，有必要對(duì)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方法進(jìn)行優(yōu)化研究，尋求符合成果精度要求的最佳布控方案。

圖3 傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2 優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)方案

為使研究結(jié)果更加貼合城市復(fù)雜地物類(lèi)型及特殊地形環(huán)境，本次試驗(yàn)選擇某山區(qū)城市進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)方案優(yōu)化研究，相較于校園內(nèi)地形情況，該山區(qū)城市研究區(qū)域地表起伏較大，測(cè)區(qū)面積為1.821 km2，地物類(lèi)型復(fù)雜多樣，包含高層居民建筑、平房、人工湖、山區(qū)景點(diǎn)等多種地物類(lèi)型，是城市復(fù)雜地形環(huán)境的縮影。考慮到消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在航攝作業(yè)過(guò)程中容易受到航向和旁向重疊度以及像片旋角等因素的影響［9］，依據(jù)其對(duì)測(cè)區(qū)的航攝影像覆蓋特征，本次研究共計(jì)設(shè)計(jì)6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案，如圖4 所示，三角形標(biāo)識(shí)為布設(shè)的像控點(diǎn)，圓形標(biāo)識(shí)為檢核點(diǎn)，像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)總數(shù)為63 個(gè)。

方案1：測(cè)區(qū)四角像控點(diǎn)單點(diǎn)布設(shè)方案，即在測(cè)區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)59 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案2：測(cè)區(qū)四角像控點(diǎn)點(diǎn)組布設(shè)方案，即在測(cè)區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)2 個(gè)像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)55 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案3：測(cè)區(qū)四邊像控點(diǎn)均勻布設(shè)方案，即在測(cè)區(qū)四周均勻布設(shè)12 個(gè)像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)51個(gè)檢核點(diǎn)；

方案4：測(cè)區(qū)四角點(diǎn)組布控及測(cè)區(qū)周邊均勻布控聯(lián)合布設(shè)方案，即在測(cè)區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)2 個(gè)像控點(diǎn)，同時(shí)在測(cè)區(qū)四周均勻布設(shè)8 個(gè)像控點(diǎn)，共計(jì)16 個(gè)像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)47 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案5：測(cè)區(qū)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)像控點(diǎn)均勻布設(shè)方案，即在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，邊角位置不考慮加密或單獨(dú)布設(shè)，共計(jì)布設(shè)15 個(gè)像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)48 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案6：測(cè)區(qū)四角像控點(diǎn)點(diǎn)組布控及測(cè)區(qū)區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)均勻布控聯(lián)合布設(shè)方案，即在測(cè)區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)2 個(gè)像控點(diǎn)，同時(shí)在測(cè)區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)11 個(gè)像控點(diǎn)，共計(jì)19 個(gè)像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)44 個(gè)檢核點(diǎn)。

3.3 空三精度分析

對(duì)以上6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案的空三解算成果進(jìn)行精度評(píng)定，分別計(jì)算各個(gè)像控點(diǎn)布設(shè)方案的空三成果平面和高程中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。

表3 方案1—方案6 空三解算成果精度對(duì)比單位：m

對(duì)表3 進(jìn)行分析可知：

1）方案5 空三解算成果平面中誤差最小，為0.043 7 m，方案6 空三解算成果高程中誤差最小，為0.010 1 m；方案5 和方案6 均涉及在測(cè)區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)大量像控點(diǎn)，空三解算成果精度相對(duì)較高，但同樣外業(yè)測(cè)量工作量較大；當(dāng)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果有較高要求時(shí)，可采用方案5 或方案6 進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，最大程度保障成果精度。

2）方案1 為測(cè)區(qū)四角單點(diǎn)布設(shè)像控點(diǎn)，空三解算成果相對(duì)較低，但滿(mǎn)足規(guī)范中空三解算精度要求；方案2 是在方案1 的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在測(cè)區(qū)四角采用點(diǎn)組的形式布設(shè)像控點(diǎn)，空三解算精度有所提升，但仍舊低于測(cè)區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)像控點(diǎn)空三精度；但方案1 和方案2 布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，外業(yè)測(cè)量作業(yè)工作量較小，當(dāng)對(duì)測(cè)繪成果精度要求不高時(shí)，可采用該方案快速作業(yè)。

3）方案3 像控點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較為適中，適用于在測(cè)區(qū)內(nèi)部無(wú)法布設(shè)像控點(diǎn)的項(xiàng)目，如，搶險(xiǎn)救災(zāi)地形測(cè)繪等；若要盡可能保障傾斜攝影測(cè)繪精度，可利用四角點(diǎn)組和測(cè)區(qū)周邊聯(lián)合布控方式，增加像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量，提高成果精度。

綜上所述，以上6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案空三解算成果均能滿(mǎn)足《工程攝影測(cè)量規(guī)范》要求，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，依據(jù)測(cè)區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)難度及對(duì)測(cè)繪成果精度的實(shí)際要求，合理選擇像控點(diǎn)布設(shè)方式，因地制宜，提高作業(yè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究通過(guò)采用大疆精靈4 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝作業(yè)，對(duì)傾斜影像、下視影像以及多視影像空三精度進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了同等數(shù)量像控點(diǎn)條件下多視影像的空三成果精度最佳；并以增強(qiáng)測(cè)區(qū)邊角控制權(quán)重為目的，以大面積復(fù)雜地物類(lèi)型城市區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)傳統(tǒng)布點(diǎn)方法進(jìn)行優(yōu)化研究，對(duì)比分析不同方案的空三解算成果精度及像控點(diǎn)布設(shè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在相同測(cè)區(qū)面積、相同地物類(lèi)型條件下，測(cè)區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)像控點(diǎn)空三解算成果精度相對(duì)較高，但像控點(diǎn)數(shù)量較多，大大增加了外業(yè)測(cè)繪工作量；四角布設(shè)像控點(diǎn)成果精度雖然較低，但滿(mǎn)足規(guī)范精度要求，適用于測(cè)區(qū)影像覆蓋率相對(duì)較高，測(cè)區(qū)內(nèi)部不易進(jìn)入、難以布點(diǎn)的航攝項(xiàng)目。