張煦

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450052）

低空無人機(jī)攝影測量像控點(diǎn)布點(diǎn)方案的探討與研究

張煦

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450052）

結(jié)合低空無人機(jī)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，對(duì)相同測區(qū)提供不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案、通過不同的方案對(duì)空三精度產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，得出可行的既滿足精度要求又節(jié)省外業(yè)工作量的像控點(diǎn)布設(shè)方法，供類似項(xiàng)目應(yīng)用參考。

無人機(jī)；航空攝影測量；相控點(diǎn)布設(shè)；空三加密；精度

低空無人機(jī)航空攝影測量作為一門快速發(fā)展的低空影像獲取技術(shù)，是遙感和傳統(tǒng)航空攝影測的補(bǔ)充，具有快速高效，成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，尤其適合快速獲取小范圍區(qū)域和地形地貌復(fù)雜地區(qū)的高分辨率影像，能夠快速生產(chǎn)出該區(qū)域需要的數(shù)字測繪產(chǎn)品，因而被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。在整個(gè)航測作業(yè)中，像控點(diǎn)布設(shè)是無人機(jī)航測任務(wù)的重要環(huán)節(jié)，也是外業(yè)過程中成本投入比較大的一個(gè)部分，是解析空三和數(shù)字測圖的基礎(chǔ)，像控點(diǎn)位置的選擇和大地坐標(biāo)的測定，直接影響航測內(nèi)業(yè)成圖精度。因此，本文結(jié)合實(shí)際無人機(jī)航測項(xiàng)目，對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行探討和研究。

1 無人機(jī)航測的特點(diǎn)和選取的布點(diǎn)方案

1.1 無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測量的特點(diǎn)

①像幅小，影像數(shù)量多，使得內(nèi)業(yè)和外業(yè)的工作量加大；②由于無人機(jī)體積小、重量輕，飛行姿態(tài)受外界因素影響較大，因此旋偏角和傾斜角都會(huì)很大；③同時(shí)航向和旁向重疊不規(guī)則，造成模型連接困難；④照片灰度不一致，造成影像匹配難度大、精度低［1-2］。

1.2 無人機(jī)航測的布點(diǎn)方案

①測區(qū)四角布設(shè)平高點(diǎn)；②測區(qū)四周均勻布設(shè)平高點(diǎn)；③測區(qū)區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)平高點(diǎn)；④測區(qū)四周均勻布設(shè)平高點(diǎn)，內(nèi)部少量布設(shè)平高點(diǎn)。

2 布點(diǎn)方案的實(shí)施實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)場地

信陽光山大蘇山森林公園，河南光山縣大蘇山攝區(qū)航攝面積約40km2，影像分辨率0.08m，成圖比例尺1∶1000。從地貌圖中可看出，河南光山縣攝區(qū)地形復(fù)雜，為淺山區(qū)，攝區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差約300m，該攝區(qū)按南北方向敷設(shè)航線，共劃分了七個(gè)區(qū)塊42條航線。為了試驗(yàn)需求測區(qū)共布設(shè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)91個(gè)，通過對(duì)選取不同的相控點(diǎn)進(jìn)行空三加密［3］，對(duì)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度的對(duì)比分析，證明4種像控點(diǎn)布點(diǎn)方案的優(yōu)劣，找出無人機(jī)航空攝影測量在滿足相應(yīng)精度的要求下節(jié)省外業(yè)工作量的測量方法，選取區(qū)域和航線區(qū)塊劃分如圖1所示。

2.2 選用飛行設(shè)備和飛行技術(shù)參數(shù)

2.2.1 選用設(shè)備。選用設(shè)備為飛馬無人機(jī)F200。主要技術(shù)要求有以下幾點(diǎn)。①旋偏角一般不大于15°，最大不超過25°。②為確保成圖精度，應(yīng)特別注重影像質(zhì)量。影像清晰、反差適中、顏色飽和、色調(diào)一致。③航高差：同一航線上相鄰相片的航高差不得大于30m；最大航高與最小航高之差不得大于50m。當(dāng)相對(duì)航高小于等于1 000m時(shí)，航攝分區(qū)內(nèi)的實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高不應(yīng)大于50m；當(dāng)相對(duì)航高大于1 000m時(shí)，其實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高不應(yīng)大于設(shè)計(jì)航高的5%。④航線彎曲度一般不大于1%；相片正視傾斜角一般不應(yīng)大于4%。⑤正式攝影前要進(jìn)行試飛，并將試飛的質(zhì)量狀況填入航攝飛行記錄表中［4］。

圖1 航線區(qū)塊劃分圖

2.2.2 技術(shù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)技術(shù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2.3 像控點(diǎn)測量

考慮到項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃和成圖精度，該項(xiàng)目擬定采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS測量（RTK）技術(shù)方法，所有外業(yè)點(diǎn)均按照平高點(diǎn)進(jìn)行施測。施測情況如圖2所示，施測時(shí)要求遵照下列技術(shù)設(shè)計(jì)要求［5］：①基準(zhǔn)站的覆蓋半徑城區(qū)要求不大于10km，城市密集區(qū)以不超過7km，RTK基準(zhǔn)站的點(diǎn)位精度等級(jí)不得低于I級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)精度。②基準(zhǔn)站要盡量架設(shè)在高處且易于架設(shè)和維護(hù)的地方。③基準(zhǔn)站參數(shù)的計(jì)算要求選取覆蓋范圍內(nèi)周邊和內(nèi)部點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)不得少于5個(gè)，且要分布均勻，轉(zhuǎn)換后各點(diǎn)的殘差分量應(yīng)小于5cm。④RTK基準(zhǔn)站網(wǎng)無輻射漏洞，且全網(wǎng)的輻射重疊度不得低于需控制范圍的20%。⑤RTK觀測的采樣間隔為1s，每次測量的歷元數(shù)不小于10個(gè)。單次觀測的平面收斂精度應(yīng)≤2cm，兩次點(diǎn)位互差應(yīng)≤5cm。⑥每次施測前要選取施測位置附近的已知點(diǎn)進(jìn)行檢查，檢測高等控制點(diǎn)時(shí)，其點(diǎn)位互差應(yīng)≤5cm，符合要求后方可進(jìn)行像控點(diǎn)的測量。⑦設(shè)備采用南方系列RTK雙頻接收機(jī)。⑧像控點(diǎn)的觀測全部采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)進(jìn)行觀測，每點(diǎn)觀測兩次取中數(shù)作為最后成果［6-8］。

圖2 施測現(xiàn)場

測區(qū)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)共布設(shè)91個(gè)，布點(diǎn)情況如圖3所示。

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)

2.4 實(shí)驗(yàn)選取的四個(gè)布點(diǎn)方案

方案1：采用只在測區(qū)四角布設(shè)平高點(diǎn)的布點(diǎn)方案，共15號(hào)、91號(hào)、19號(hào)、63號(hào)、85號(hào)、69號(hào)、53號(hào)、76號(hào)、81號(hào)、2號(hào)10個(gè)點(diǎn)。

方案2：采用測區(qū)四周均勻布設(shè)平高點(diǎn)的方法，共15號(hào)、11號(hào)、10號(hào)、81號(hào)、80號(hào)、77號(hào)、72號(hào)、53號(hào)、54號(hào)、69號(hào)、85號(hào)、64號(hào)、31號(hào)、86號(hào)、19號(hào)、91號(hào)16個(gè)點(diǎn)。

方案3：四周均勻布設(shè)，內(nèi)部少量布設(shè)的方法，共5號(hào)、11號(hào)、10號(hào)、81號(hào)、80號(hào)、77號(hào)、72號(hào)、53號(hào)、54號(hào)、69號(hào)、85號(hào)、64號(hào)、31號(hào)、86號(hào)、19號(hào)、91號(hào)、16號(hào)、26號(hào)、4號(hào)、40號(hào)、43號(hào)、61號(hào)22個(gè)點(diǎn)。

方案4：測區(qū)區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)平高點(diǎn)，共11號(hào)、10號(hào)、81號(hào)、80號(hào)、77號(hào)、72號(hào)、53號(hào)、54號(hào)、69號(hào)、85號(hào)、64號(hào)、31號(hào)、86號(hào)、19號(hào)、91號(hào)、16號(hào)、26號(hào)、4號(hào)、40號(hào)、43號(hào)、61號(hào)、13號(hào)、1號(hào)、82號(hào)、7號(hào)、46號(hào)、58號(hào)、57號(hào)、66號(hào)、84號(hào)、62號(hào)、47號(hào)、35號(hào)、37號(hào)、29號(hào)、22號(hào)、90號(hào)、14號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、44號(hào)，四十一個(gè)點(diǎn)［9］。

2.5 四種控制點(diǎn)布設(shè)方案空三加密后檢查點(diǎn)精度對(duì)比分析

解析及全數(shù)字測圖系統(tǒng)所需要的像控點(diǎn)，采用常規(guī)的加密方法，解析空中三角測量采用自動(dòng)空中三角測量軟件無人機(jī)管家2.0專業(yè)版進(jìn)行加密作業(yè)。任務(wù)是為像片糾正和測圖提供定向點(diǎn)和細(xì)部點(diǎn)，并提供作業(yè)時(shí)所需要的儀器安置元素?cái)?shù)據(jù)（內(nèi)方位元素和外方位元素）。

①內(nèi)業(yè)加密控制點(diǎn)相對(duì)鄰近野外控制點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差不超過表2的規(guī)定。

表2 加密點(diǎn)平面中誤差（單位：m）

②采用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)（DPS）或工作站（DPW）進(jìn)行空中三角測量時(shí)，其內(nèi)定向測標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)框標(biāo)，框標(biāo)坐標(biāo)量測誤差不得大于±0.01mm。數(shù)碼影像不需要內(nèi)定向。

③相對(duì)定向標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的殘余上下視差限差不超過± 0.005mm，檢查點(diǎn)殘余上下視差限差不超過±0.008mm。模型連接平面位置較差ΔL≤0.06×mt×（10-3）m，高程較差ΔZ≤0.04×mt×fk×（10-3）/b（m）。式中：mt為相片比例尺分母；fk為航攝儀焦距mm；b為像片基線長度mm。

④絕對(duì)定向基本定向點(diǎn)殘差、多余控制點(diǎn)不符值及區(qū)域網(wǎng)間公共點(diǎn)較差不超過表3的規(guī)定。

表3 絕對(duì)定向限差（單位：m）

⑤加密點(diǎn)中誤差以全區(qū)或單個(gè)區(qū)域?yàn)閱挝话聪铝泄竭M(jìn)行估算：

式中：mq為控制點(diǎn)中誤差，單位m；mg為公共點(diǎn)中誤差，單位m；Δ為多余野外控制點(diǎn)不符值，單位m；d為相鄰航線或相鄰區(qū)域網(wǎng)之間公共點(diǎn)較差，單位m；n為評(píng)定精度點(diǎn)數(shù)。

2.6 平差計(jì)算和精度對(duì)比

采用光束法系統(tǒng)程序進(jìn)行平差計(jì)算，最終輸出可供內(nèi)業(yè)全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)使用的加密成果。通過四種不同的相控點(diǎn)布設(shè)方案，對(duì)精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表4。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論和注意的問題

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)踐中，通過對(duì)各方案的比較分析，可以得出：采取四周均勻布設(shè)，內(nèi)部少量布設(shè)的方法，可以大大提高空三加密的精度（如圖4所示）。

圖4 像控點(diǎn)點(diǎn)位圖

但并不是控制點(diǎn)密度越大越好，布設(shè)的控制點(diǎn)太多不但大幅度增加外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量，而且對(duì)于解析空中三角測量精度的提高并起不了太大的作用，測區(qū)內(nèi)部適當(dāng)增加平高控制點(diǎn)，測區(qū)的高程精度有所改善，但改善的量并不明顯，沒有現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 進(jìn)行相控點(diǎn)布設(shè)時(shí)需要注意的問題

①數(shù)據(jù)源是低空無人機(jī)航空攝影測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，質(zhì)量好的數(shù)據(jù)源文件是成果精度的最基本保障，要求無人機(jī)在野外飛行時(shí)盡量保持較好的飛行姿態(tài)，航攝時(shí)光線要求必須充足，選擇適合無人機(jī)飛行作業(yè)的天氣，獲取質(zhì)量較好的原始影像資料。

②在布置區(qū)塊作業(yè)時(shí)，為了能夠較好地保證整個(gè)測區(qū)的精度，不同飛行架次的首航帶和尾航帶必須有一定的重疊，并且在航帶重疊的首尾航片布設(shè)像控點(diǎn)。

③在實(shí)際工作中，測區(qū)往往是不規(guī)則的幾何區(qū)域，在整個(gè)測區(qū)相對(duì)凸出和凹陷的位置，要增加布設(shè)像控點(diǎn)，保證整個(gè)不規(guī)則測區(qū)的構(gòu)網(wǎng)。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)，使用不同的控制點(diǎn)布設(shè)方案在相同的工作區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用，然后進(jìn)行控三結(jié)果精度分析，得出了適合低空無人機(jī)航空攝影測量的布點(diǎn)方案。實(shí)驗(yàn)采用深圳飛馬F200無人機(jī)系統(tǒng)，得出采取四周均勻布設(shè)，內(nèi)部少量布設(shè)的方法，相比于傳統(tǒng)航測區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)布設(shè)，需要的外業(yè)控制點(diǎn)更少，成果精度較高，減少了外業(yè)工作量。無人機(jī)航測成果應(yīng)用于城市現(xiàn)代化建設(shè)將是測繪行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢，特別適合用于范圍不大的大比例尺地形圖的測繪，長度小于100km的河道、電力選線、道路選線等線路工程大比例尺帶狀地形圖的測繪、應(yīng)急救災(zāi)快速響應(yīng)測繪，小范圍大面積房屋建筑物的普通地形測繪等。同時(shí)，由于無人機(jī)本身特點(diǎn)的限制，一般荷載能力有限，無法搭載重量大的相機(jī)，造成拍攝的像片像幅較小，以至于拍攝的工作量很大，無人機(jī)飛行效率一般較低，不太適用于大面積區(qū)域的測繪?，F(xiàn)階段，大多數(shù)無人機(jī)航測系統(tǒng)搭載的相機(jī)都是普通的單鏡頭數(shù)字相機(jī)，基高比較小，因此一般無人機(jī)航測的高程精度不高，不適用于對(duì)高程精度要求較高的測繪項(xiàng)目，雖然傾斜攝影測量的出現(xiàn)使無人機(jī)測繪產(chǎn)品精度大幅提升，但受電池續(xù)航方面的制約，處理數(shù)據(jù)量過于龐大等瓶頸難以突破，目前還不能用于大范圍的測繪生產(chǎn)。希望測繪技術(shù)快速發(fā)展，不久的將來無人機(jī)航空攝影測量諸多的技術(shù)難題將得以解決［9-10］。

表4 平差計(jì)算和精度對(duì)比

［1］王之卓.攝影測量學(xué)原理［M］.北京：測繪出版社，1984.

［2］張劍清，潘勵(lì)，王樹根.攝影測量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2012.

［3］鄧廷起.無人機(jī)空中三角測量研究與應(yīng)用［D］.武漢：武漢大學(xué)，2011.

［4］黃世德.航空攝影測量學(xué)［M］.北京：測繪出版社，1985.

［5］國家測繪局.CHZ 3004-2010低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范［S］.北京：測繪出版社，2010.

［6］王聰華.無人飛行器低空遙感影像數(shù)據(jù)處理方法［D］.青島：山東科技大學(xué)，2013.

［7］買小爭，楊波，馮曉敏.無人機(jī)航攝像控點(diǎn)布設(shè)方法探究［J］.測繪通報(bào)，2012（增刊）：268-271.

［8］王鐵軍，鄭福海.ADS80航攝影像在省級(jí)基礎(chǔ)測繪中的控制點(diǎn)布設(shè)方案研究［J］.技術(shù)應(yīng)用，2014（1）：97-100.

［9］張治國.關(guān)于無人機(jī)在大比例尺測圖中的飛行質(zhì)量探討［J］.價(jià)值工程，2014（31）：226-227.

［10］柏飛.影響無人機(jī)航測高程精度分析［J］.測繪技術(shù)裝備，2014（3）：92-94.

Discussion and Research on Image Control Point Layout in Low Altitude Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry

Zhang Xu
（Henan Water Conservancy Survey Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

With the low altitude without application in the project of the machine,on the same test area with different control point layout program,through the analysis of influence on different scheme of air three accuracy,feasible method of image control point layout,which can meet the requirement of precision and save the workload of industry, is obtained,which is a reference for similar projects.

unmanned aerial vehicle；aerial photogrammetry；phase control point layout；space three encryption；precision

P231

A

1003-5168（2017）07-0030-04

2017-06-02

張煦（1978-），男，本科，工程師，研究方向：無人機(jī)攝影測量與遙感。