胡震天，周曉琴

(南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧　530023)

1　引　言

由于地理數(shù)據(jù)變更頻繁，大量建設(shè)項目都需要采集最新的數(shù)據(jù)，而測繪工作技術(shù)性強(qiáng)，有嚴(yán)格的要求和生產(chǎn)規(guī)范，因此造成地理數(shù)據(jù)采集的周期長，成本高。拓展測繪手段，提高測繪工作效率，降低數(shù)據(jù)成本，成為亟待解決的問題。

目前，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)開始被廣泛使用，利用無人機(jī)獲取影像進(jìn)行地理信息采集，將大幅度降低航拍作業(yè)的條件，主要表現(xiàn)為起飛降落靈活，方便快捷。另外，無人機(jī)飛行高度低，采用相對廉價的數(shù)碼相機(jī)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，因此能大幅度降低作業(yè)的成本，但由于無人機(jī)的飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，采用的相機(jī)畸變較大等問題，如何保證測繪產(chǎn)品的質(zhì)量，需要進(jìn)行研究和實踐。

利用無人機(jī)航測生產(chǎn)地形圖建議采用三維模型采集和立體像對采集相結(jié)合的方式，立體像對采集還是一個必要和有效的采集手段，本文主要研究基于無人機(jī)航測立體像對采集生產(chǎn)大比例尺地形圖，研究目的是通過分析影響因素，確定因素對地形圖成圖的數(shù)學(xué)精度的影響程度，根據(jù)研究結(jié)果，在生產(chǎn)過程中規(guī)范作業(yè)，進(jìn)行質(zhì)量控制，從而提高生產(chǎn)效率，提升經(jīng)濟(jì)效益。

2　影響因素的選擇與測試思路

影響航測成圖精度的因素主要有：相機(jī)選擇、相機(jī)檢校與影像畸變改正、地面分辨率、重疊度、像控分布數(shù)量與精度、平差方式、采集方式等。無人機(jī)航測中相機(jī)選擇應(yīng)主要考慮無人機(jī)的載荷和設(shè)計，目前主流為微單相機(jī)，必須使用定焦鏡頭。由于使用的相機(jī)一般為非量測相機(jī)，建議航拍前應(yīng)進(jìn)行相機(jī)檢校，空三前進(jìn)行原始影像的畸變改正[1]。重疊度太大，相鄰像對的基高比小，高程精度低，像對數(shù)量多采集效率低；重疊度太小，相鄰模型間會存在漏洞。作者經(jīng)過多個項目的生產(chǎn)實踐已確定航向重疊度和旁向重疊度的經(jīng)驗值。因此，本文主要測試地面分辨率、像控密度、空三方式對成圖精度的影響。

測試地面分辨率對成圖精度影響的思路：使用不同分辨率的影像，添加相同的像控，用同樣的空三軟件來試驗地面分辨率的影響大小。

測試像控密度對成圖精度影響的思路：在試驗中，使用同一架次的影像，用同樣的空三軟件，通過添加不同密度的像控來測試像控密度這一因素的影響程度。

測試空三方式對成圖精度影響的思路：使用同一架次的影像，添加相同的像控，用不同的空三軟件分別做出空三來試驗此因素的影響方式和影響程度。

3　測試技術(shù)方案

3.1　測試區(qū)域選擇

此次測試選取了南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)約2 km2矩形區(qū)域作為試驗區(qū)。西南角坐標(biāo)為北緯22.77°，東經(jīng)108.15°，東北角坐標(biāo)為北緯22.79°，東經(jīng)108.13°，區(qū)域為丘陵地形，有建筑區(qū)、山丘、水域、農(nóng)田等地類。

3.2　硬軟件選擇

此次進(jìn)行航飛的飛機(jī)為北京精航科技有限公司生產(chǎn)的型號為YS-21(T-EZ-F)的電動固定翼無人機(jī)；相機(jī)型號為SONY ILCE5100，鏡頭焦距為 16 mm。

像控和檢查點測量使用儀器為海星達(dá)iRTK2經(jīng)典版，利用南寧市勘察測繪地理信息院GPS連續(xù)運行參考站NNCORS系統(tǒng)進(jìn)行測量，并測設(shè)了部分地面控制標(biāo)志。

空三采用INPHO軟件，INPHO軟件有兩個不同的模塊，一是用于無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的UAMaster(以下簡稱小模塊)，二是用于處理傳統(tǒng)航攝數(shù)據(jù)的空三模塊ApplicationMaster(以下簡稱大模塊)，立體測圖采用適普VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。

相機(jī)檢校和畸變改正采用自行研制的程序進(jìn)行。

3.3　影響因素的設(shè)定

(1)地面分辨率的設(shè)定

因主要針對大比例尺地形圖測量，根據(jù)精度和效率的要求，選擇了優(yōu)于 0.2 m的4個不同的地面分辨率來進(jìn)行測試，分別為 0.05 m、 0.08 m、 0.12 m、 0.16 m。測試區(qū)域地面平均高程約為 80 m，航飛根據(jù)影像地面分辨率的不同，共分4個架次，航飛設(shè)計參數(shù)如表1所示：

航飛設(shè)計參數(shù)　　　　　　　　　　　表1

(2)像控點密度的設(shè)定

像控點密度分5級，逐級加密，均勻分布，每級均保證區(qū)域角點有像控。像控點全部為平高點，共測量121處，246個點位，其中35處為人工布設(shè)的地面控制點，像控密度分5級，分別用不同顏色表示，分布如圖1所示。檢核點主要是高程檢核點，選擇在硬化路面且周圍高程變化不大的地方，共測量檢核點269個。

第1級為黃色，共6個點；

第2級在第1級的基礎(chǔ)上添加4個綠色的像控點，共10個；

第3級在第2級的基礎(chǔ)上添加4個淺藍(lán)色的像控點，共14個；

第4級在第3級的基礎(chǔ)上添加14個深藍(lán)色的像控點，共28個；

第5級在第4級的基礎(chǔ)上添加18個紅色的像控點，共46個。

(3)空三軟件的確定

目前可用來處理無人機(jī)數(shù)據(jù)的空三軟件較多，測試選用INPHO軟件，本文僅對INPHO的兩個處理模塊進(jìn)行比較。

為方便比較，不同分辨率、不同像控個數(shù)、不同空三模塊分別進(jìn)行空三解算，單獨命名，命名規(guī)則為項目代碼+分辨率+像控級數(shù)+空三模塊代碼，例如CSKC0501-B，CSKC為測試項目代碼，05表示地面分辨率為 0.05 m，01表示像控添加的為第一級像控，各級像控加入的點數(shù)和分布如圖1所示，B表示INPHO中大模塊做的空三，S則是小模塊做的空三。

圖1　像控分布圖

3.4　測試技術(shù)流程

根據(jù)試驗區(qū)域的地形特征，布設(shè)地面控制點后進(jìn)行航飛，航飛按不同地面分辨率進(jìn)行幾個架次的航飛，航飛的同時進(jìn)行像控點的測量。航飛前相機(jī)需要進(jìn)行檢校，航飛得到的影像要進(jìn)行畸變糾正。用得到的不同分辨率的糾正后的影像數(shù)據(jù)和像控數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，將不同分辨率的影像通過加不同密度的像控，分別用INPHO的大小模塊進(jìn)行平差。在內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三解算的過程中，外業(yè)可進(jìn)行檢核數(shù)據(jù)的測量工作。將空三導(dǎo)入適普對立體像對進(jìn)行檢核點采集。對照外業(yè)測量的高程點進(jìn)行高程檢核采集，使用控制點進(jìn)行平面檢核采集。將采集數(shù)據(jù)與外業(yè)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比統(tǒng)計分析。按GB/T 24356-2009規(guī)范中4.3.5檢測數(shù)據(jù)的處理中平面和高程中誤差計算公式計算中誤差。測試流程如圖2所示：

圖2　測試流程圖

4　測試結(jié)果分析

4.1　地面分辨率的不同對精度的影響

此次試驗共分4個不同的地面分辨率對同一區(qū)域進(jìn)行航飛，分別為 0.05 m、0.08 m、0.12 m和 0.16 m。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示：

不同分辨率情況下的誤差統(tǒng)計　　　　　　　表2

以大模塊所做空三為研究對象，統(tǒng)計得出不同分辨率下，檢核點可達(dá)精度如表3所示：

不同分辨率下的檢核點可達(dá)精度統(tǒng)計　　　　　表3

表3中只統(tǒng)計了1級、2級、3級像控下，不同地面分辨率的大小模塊平面中誤差和高程中誤差均值。

通過分析可以得出以下結(jié)論：

(1)平面精度與地面分辨率成正比，地面分辨率越高，成圖平面精度也越高；

(2)無人機(jī)航測立體采集測圖的平面精度約為3個像素；

(3)分辨率低于0.08 m時，高程精度與地面分辨率成正比，地面分辨率為 0.05 m與 0.08 m的高程精度相當(dāng)，也就是說，地面分辨率不宜太高，地面分辨率越高，單個模型覆蓋面積越小，模型數(shù)量越多，模型接邊誤差會變大，從效率和精度考慮，建議利用無人機(jī)航拍立體模型采集生產(chǎn)大比例尺地形圖時，地面分辨率不高于 0.08 m。

4.2　像控密度的影響

采集得出誤差如表4所示：

不同像控密度下的誤差統(tǒng)計　　　　　　　　表4

由統(tǒng)計結(jié)果可得：

(1)像控點密度對平面精度影響不明顯；

(2)像控點越密，高程精度越好。

4.3　不同空三模塊的影響

此次試驗是用INPHO軟件的大小模塊分別對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出不同的空三，分別采集得出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：

不同空三模塊的采集誤差統(tǒng)計　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表5

由以上表5可知：

(1)大模塊比小模塊空三后成圖精度高，超限點數(shù)少。

(2)由于大模塊直接處理無人機(jī)航拍影像時提取連接點難以通過，建議先用小模塊空三，將小模塊空三后的外方位元素作為大模塊空三的初始值，再用大模塊空三處理。

5　結(jié)　論

此次試驗是針對無人機(jī)航拍利用立體像對采集方式生產(chǎn)數(shù)字線劃圖，通過試驗統(tǒng)計分析地面分辨率、像控密度、INPHO軟件的大小模塊所做空三等幾個因素對成圖精度的影響。此次測試采用實地采集數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)真實可靠，基本實現(xiàn)測試的目的，達(dá)到了測試的效果。

通過試驗得出以下結(jié)論：

像控點對高程精度影響明顯，像控越密，高程精度越好，但對平面精度影響不明顯，測區(qū)像控分布均勻且角點處均有像控的情況下，平面精度并不隨像控密度的增大而增加；運用INPHO軟件的大小模塊所做出的空三，在原始影像、像控點一樣的情況下，大模塊所做空三的成圖精度要高于小模塊所做的空三；區(qū)域網(wǎng)布點時，兩條航帶之間必須有像控點，同條航線上建議每隔6張～8張影像布設(shè)一個像控點，像控點的密度約為每平方千米4個～8個點。

從精度和效率兩方面綜合，用無人機(jī)航測立體成圖生產(chǎn)大比例尺地形圖若用INPHO軟件做空三，建議使用大模塊來平差，且成圖比例尺與各技術(shù)參數(shù)的關(guān)系如表6所示。

無人機(jī)航測立體成圖生產(chǎn)大比例尺地形圖的技術(shù)參數(shù)　　表6

以上的研究成果對用無人機(jī)航空攝影方式生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)流程，技術(shù)設(shè)計，質(zhì)量控制等方面提供了依據(jù)，具有一定的生產(chǎn)應(yīng)用和推廣價值。

此次測試雖然基本達(dá)到了測試的預(yù)期效果，但由于相關(guān)因素太多，而在做單一因素試驗時，其他因素也會有影響，如天氣的影響、個人采集的誤差等。試驗區(qū)域的地形較為平坦，只能代表一種地形，具有一定的局限性，對于丘陵地形、山地地形不具有說明性；試驗所用的空三軟件為INPHO，采集所用軟件為適普IGS，有一定的局限性。若要進(jìn)一步研究，可從地形、無人機(jī)的機(jī)型、相機(jī)鏡頭、空三及采集軟件等因素做進(jìn)一步試驗。