像控點布設(shè)對無人機(jī)傾斜攝影測量精度的影響

孫瑤 吳定邦 楊智翔 黎廣

摘要：無人機(jī)傾斜攝影測量成果精度取決于空三精度，地面像控點的分布和數(shù)量對空三精度起決定性作用，且條帶狀區(qū)域不同于塊狀區(qū)域，像控點布設(shè)具有一定局限性。通過對比5種像控點布設(shè)方案，得出適合于條帶狀區(qū)域的無人機(jī)傾斜攝影測量像控點最優(yōu)布設(shè)方案：在保證像控點旁向間距的前提下，最優(yōu)的航向間距設(shè)置為1 km，即可實現(xiàn)在保證成果精度的前提下，減少內(nèi)外業(yè)工作量，提升生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影測量； 三維建模； 條帶狀區(qū)域； 像控點布設(shè)； 精度分析

中圖法分類號： P231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.022

0引 言

區(qū)別于無人機(jī)垂直攝影測量，無人機(jī)傾斜攝影測量從多角度對地面信息進(jìn)行采集，可得到更為全備的地面信息，逐漸成為快速獲取三維場景的重要手段。目前，行業(yè)內(nèi)無人機(jī)傾斜相機(jī)以5鏡頭居多，意味著傾斜相機(jī)的每次曝光都將產(chǎn)生5倍于傳統(tǒng)相機(jī)的數(shù)據(jù)量，且5張影像的姿態(tài)各異。相較于傳統(tǒng)攝影測量，傾斜攝影測量的影像處理過程更為繁瑣，同時也增加了一定的不確定性［1-2］。

影響無人機(jī)傾斜三維模型成果精度的因素有多種，其中像控點的布設(shè)方案對精度影響最為重大。針對像控點布設(shè)對無人機(jī)攝影測量精度影響的研究，目前以分析無人機(jī)垂直攝影測量為主，朱進(jìn)等研究了控制點布設(shè)對無人機(jī)影像空三精度的影響，提出一種最佳布點方案：四周均勻布設(shè)平高點、四角布設(shè)成點組，加少量內(nèi)部控制點，在保證精度的前提下，地面像控點數(shù)量最少［3］。王同行等研究了地面控制點布設(shè)對海岸帶無人機(jī)遙感影像的精度影響，驗證了采用多排均勻布設(shè)控制點方法能有效提高遙感圖精度，拼接成圖質(zhì)量最優(yōu)［4］。周旺輝等分析了控制點布設(shè)對低空小型無人機(jī)高分影像精度的影響，得到最優(yōu)的布點方案：測區(qū)四周均勻布設(shè)控制點，少量內(nèi)部控制，相較于傳統(tǒng)的航攝布點方式，該方式精度高、數(shù)量少［5］。王朝輝等對無人機(jī)傾斜攝影測量中的像控布點方案進(jìn)行研究分析，提出在規(guī)則的塊狀區(qū)域中，五點像控法能基本滿足其1∶1 000精度的要求，九點像控法能基本滿足1∶500精度的要求［6］。上述所提及的研究均驗證了一個結(jié)論：無人機(jī)航攝影像后處理流程中，空三精度最弱點位于航攝區(qū)域外圍，航攝區(qū)域內(nèi)部精度高而且均勻，四周需要采用控制點進(jìn)行約束才能保證成果精度。以上研究均具有局限性，主要表現(xiàn)在以下3點［7-10］：

① 研究對象大多為塊狀區(qū)域，缺少對諸如河流、道路以及管道等條帶狀區(qū)域的精度分析；

② 選擇測區(qū)的面積較小，包含的地物信息有限，代表性不夠強(qiáng)；

③ 側(cè)重于對無人機(jī)垂直攝影測量進(jìn)行精度分析，在像控點布設(shè)對無人機(jī)傾斜攝影測量的精度影響研究較少，尤其是針對條帶狀區(qū)域的無人機(jī)傾斜攝影測量精度影響研究更少。

基于此，本文通過對無人機(jī)傾斜攝影測量的技術(shù)原理進(jìn)行分析，結(jié)合條帶狀區(qū)域的特點，分析像控點的分布和密度對空三及模型精度的影響。由于條帶狀區(qū)域的限制，本文主要側(cè)重于分析不同密度下的像控點布設(shè)對成果精度的影響，從而得出適合于實際生產(chǎn)的布點原則，在保證成果精度的前提下，盡可能地減少內(nèi)外業(yè)工作量，對于提升生產(chǎn)效率具有一定參考意義。

1試驗區(qū)數(shù)據(jù)獲取

1.1試驗區(qū)及航攝設(shè)備情況

試驗區(qū)為一段城市快速路，位于廣東省深圳市龍崗區(qū)內(nèi)，屬于深圳市南坪快速路第3期建設(shè)工程，西起水官高速公路橫坪立交，東至銅鑼徑水庫東側(cè)隧洞（圖1）。

測區(qū)面積約為1.42 km2，測區(qū)內(nèi)主要分布有工業(yè)園區(qū)、低矮山地及住宅樓，測區(qū)屬于丘陵地區(qū)。本文航攝數(shù)據(jù)獲取采用的航攝系統(tǒng)為飛馬D2000型四旋翼無人機(jī)搭載D-OP3000五鏡頭傾斜相機(jī)。設(shè)備主要參數(shù)見表1～2。

1.2航攝技術(shù)設(shè)計及航線規(guī)劃

D2000型無人機(jī)具備變高飛行功能，要實現(xiàn)無人機(jī)精準(zhǔn)的變高飛行需要基于準(zhǔn)確的DSM進(jìn)行航線規(guī)劃，由于飛馬無人機(jī)航線規(guī)劃軟件并不支持高精度的DSM數(shù)據(jù)，兼容性最好的DSM分辨率為10 m，致使用于規(guī)劃航線的DSM數(shù)據(jù)不能將影響航飛安全的高層樓房及高壓線塔等較為突兀的地物有效完整地表現(xiàn)出來，這將會給飛行安全造成極大隱患。

基于此，為了保證安全飛行，本次航攝任務(wù)分為兩個區(qū)塊進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)采集。

（1） 對于存在高住宅樓地區(qū)，樓高在100～120 m不等，采用相對航高150 m的常規(guī)航線，對應(yīng)地面分辨率為2.3 cm。

（2） 在工業(yè)園及低矮山地區(qū)域采用變高飛行模式，在任務(wù)航線規(guī)劃之前，采用大疆精靈四RTK無人機(jī)采集試驗區(qū)及外擴(kuò)一定區(qū)域的影像，通過處理軟件生成試驗區(qū)分辨率為10 m的DSM數(shù)據(jù)，將DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入航線規(guī)劃軟件中，生成變高航線，變高航線的相對航高設(shè)置為125 m，對應(yīng)地面分辨率為2 cm。

航線按照平行于線路方向布設(shè)，為東西向布設(shè)，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，航飛速度設(shè)置為10 m/s，當(dāng)相機(jī)曝光時間為1/1 200 s時，造成的像移為0.83 cm，當(dāng)相機(jī)曝光時間為1/1 000 s時，造成的像移為1 cm。

為保障影像質(zhì)量，像移量需要小于0.5個像素。由此可知，當(dāng)飛行速度為10 m/s時，相機(jī)曝光時間不得大于1/1 000 s。

1.3像控點布設(shè)方案

按照最新版規(guī)范中像控點布設(shè)要求，其中帶有GNSS/IMU輔助航攝區(qū)域網(wǎng)的布點方案如表3所列。

結(jié)合本次航攝的設(shè)計參數(shù)，通過計算可知，規(guī)范中要求的航向相鄰控制點最大間距為192 m，旁向相鄰控制點的最大間距為180 m。本次試驗嚴(yán)格按照規(guī)范要求布設(shè)像控點，試驗的條帶狀測區(qū)較為平直，在垂直于線路走向上靠近測區(qū)邊緣成對布設(shè)像控點，并依次遞增平行于線路方向上像控點的間距，遠(yuǎn)離線路中線的突出部則按照規(guī)范要求加密控制點，以探索出在保持成果精度不變的情況下，像控點在平行于線路方向上的最佳布設(shè)間距。

測區(qū)位于城區(qū)，道路眾多，大多數(shù)道路上均涂有交通標(biāo)識線，絕大部分像控點采用地面上已有的交通標(biāo)識線角點。角點明顯易于內(nèi)業(yè)判刺、穩(wěn)定不易破壞、點位周邊高程變化較小，少部分采用地面噴涂標(biāo)識點位。

像控點及檢查點測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式，參照工程測量標(biāo)準(zhǔn)中的圖根點精度要求施測，試驗區(qū)共計布設(shè)82個像控點，8個檢查點。82個像控點沿線均勻布設(shè)，8個圖根檢查點均勻分布在測區(qū)中。

本次試驗在保持旁向相鄰控制點的間距滿足規(guī)范要求的前提下，以航向相鄰控制點為變量，分別設(shè)置了190，500，1 000，1 500，2 000 m間距，如圖2所示。

方案一：像控點航向間距為170～190 m，旁向間距為160～180 m，共布設(shè)像控點合計82個；

方案二：像控點航向間距為480～520 m，旁向間距為160～180 m，共布設(shè)像控點合計30個；

方案三：像控點航向間距為980～1 020 m，旁向間距為160～180 m，共布設(shè)像控點合計17個；

方案四：像控點航向間距為1 480～1 520 m，旁向間距為160～180 m，共布設(shè)像控點合計10個；

方案五：像控點航向間距為1 980～2 020 m，旁向間距為160～180 m，共布設(shè)像控點合計8個。

2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

該試驗區(qū)一共飛行3個架次，恒定高度一個架次，變高飛行兩個架次，共采集影像31 250張，影像整體質(zhì)量良好。

采用ContextCapture Center軟件系統(tǒng)進(jìn)行傾斜三維模型構(gòu)建。ContextCapture Center軟件系統(tǒng)對于大范圍的傾斜三維模型構(gòu)建有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，其建模流程為：將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、像控點數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，導(dǎo)入ContextCapture Center軟件中；經(jīng)多視影像匹配對每張影像提取相當(dāng)數(shù)量的連接點，并以此進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立空間尺度上可適度自由變形的立體模型，完成相對定向；以影像POS數(shù)據(jù)和像控點作為初始輸入值，通過迭代計算后得到精準(zhǔn)的影像內(nèi)外方位元素及相機(jī)的畸變參數(shù)，完成絕對定向；通過獲得的畸變參數(shù)對影像去畸變處理后，基于去畸變的影像由密集匹配算法形成密集點云，利用密集點云進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，經(jīng)平滑和簡化等處理，即生成數(shù)字表面模型，也稱白膜，最后將紋理映射到白膜上，實現(xiàn)測區(qū)實景三維模型的構(gòu)建。

3精度分析

無人機(jī)傾斜攝影測量的精度評定主要包含空三精度及模型成果精度兩塊內(nèi)容。運用前述像控點布設(shè)方案對區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行約束，空三平差解算后，以未參與平差的像控點和檢查點進(jìn)行殘差及中誤差統(tǒng)計，對空三平差解算成果進(jìn)行精度評定。在模型生產(chǎn)完成后，利用未參與平差的像控點和檢查點對生產(chǎn)的實景三維模型成果進(jìn)行檢查和誤差統(tǒng)計，進(jìn)行模型成果精度評定［6］。

本次試驗的空三平差精度及模型成果精度兩項指標(biāo)統(tǒng)計如表4所列。

模型精度統(tǒng)計如圖3所示，對比表4和圖3，可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 隨著像控點密度的降低，空三及模型精度都出現(xiàn)不同程度的下滑，平面精度下滑的程度較為輕微，而高程精度受像控點密集程度的影響較大。

（2） 當(dāng)像控點的航向間距在1 km之內(nèi)時，隨著像控點密度的增加，平面及高程精度均較為穩(wěn)定，并無明顯變化，且可以達(dá)到1∶500的測圖精度要求；當(dāng)像控點航向間距超過1 km時，隨著間距的增加，平面精度維持在一定范圍內(nèi)，高程誤差則成倍數(shù)增加。

（3） 表中模型最大殘差所處的位置均位于遠(yuǎn)離線路中線的突出部。當(dāng)在突出部按照規(guī)范布設(shè)像控點時，突出部的精度可以得到有效提升。

4結(jié) 語

本文探索了適合于條帶狀區(qū)域無人機(jī)傾斜攝影測量的布點方案，控制像控點旁向間距，通過對比5種不同像控點航向間距的布點方案，得出在保持精度的前提下，布設(shè)像控點的最優(yōu)間距為1 km。過多的像控點不但大大增加外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量，而且對于模型精度的提高并無明顯作用，性價比不高。

在實踐中，還發(fā)現(xiàn)對于條帶狀區(qū)域的突出部，需要增加像控點進(jìn)行精度控制，才能保證遠(yuǎn)離線路中線突出部的精度與線路中線附近的精度相近。下一步工作方向為：對比分析常規(guī)航線和變高航線兩種不同的影像采集方式對后期成果精度的差異性影響。

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（編輯：劉 媛）