黃文鈺

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

無人機航測技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大量的項目生產(chǎn)，如何快速有效處理海量無人機數(shù)據(jù)，保證航測成圖的精度，是航測發(fā)展面臨的首要問題。

空三(空中三角測量)加密，指利用少量控制點的像方和物方坐標(biāo)，解求出未知點的坐標(biāo)，使得每個模型中的已知點都增加4個以上，然后利用這些已知點解求所有影像的外方位元素。空三加密精度不夠，會導(dǎo)致航測外業(yè)的像控點量測甚至航飛環(huán)節(jié)的返工[1]，并引起航測內(nèi)業(yè)后續(xù)工序無法開展[2-3]。

無人機影像與傳統(tǒng)航攝影像相比，具有成本低廉、時效性強等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用到地形圖繪制和三維建模等項目。但是無人機影像也具有明顯的缺點：① 姿態(tài)穩(wěn)定性差；② 影像畸變大；③ 基高比小、模型切換頻繁，高程精度低。目前市場上還沒有無人機空三加密的軟件能完全解決這些問題，精度很難滿足傳統(tǒng)航測規(guī)范要求。

為便于說明問題，選擇具有代表性的“貝殼梁風(fēng)電場無人機航測項目”為對象進行分析。使用傳統(tǒng)的空三加密辦法，基本定向點殘差統(tǒng)計如表1所示。

表1 貝殼梁風(fēng)電場無人機航測1∶2 000空三加密精度統(tǒng)計表(傳統(tǒng)空三方法)

根據(jù)GB 23236-2009《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》的要求[4]，此項目為1∶2 000丘陵地形圖測圖，基本定向點殘差最大限值為平面位置中誤差0.6 m，高程位置中誤差0.26 m。

而以上統(tǒng)計表明，該風(fēng)電場基本定向點的中誤差不能滿足規(guī)范的精度要求，尤其是高程中誤差較大，33%的點高程中誤差不滿足規(guī)范要求。

對其他幾個類似的無人機航測項目進行了空三加密的精度統(tǒng)計，得到表2。

表2 無人機航測1∶2000空三加密精度統(tǒng)計表(傳統(tǒng)空三方法)

對上述的幾個無人機航測項目進行了空三加密的精度統(tǒng)計分析，得到圖1 。

圖1 無人機航測1∶2 000空三加密精度統(tǒng)計圖

圖1表明這些項目的基本定向點的平面位置和高程中誤差都與規(guī)范要求存在一定差距。

1 改進方法

圖2 無人機航測空三加密的主要流程圖

本文從無人機航測空三加密的流程入手進行分析，尋找技術(shù)改進方法。傳統(tǒng)的無人機空三加密流程如圖2所示。

由于無人機影像一般是由非量測相機獲取的，必須經(jīng)過畸變差校正后才能進行空三加密，這一環(huán)節(jié)需要嚴(yán)密的相機檢校參數(shù)，否則嚴(yán)重影響影像匹配的精度[5]。而自動匹配與光束法平差環(huán)節(jié)受軟件性能制約，如果有匹配算法不合適以及與平差參數(shù)不合理的情況，導(dǎo)致空三加密自動化程度過低，需要大量人工干預(yù)，會降低空三加密的效率和精度，加大內(nèi)外業(yè)工作量，甚至導(dǎo)致空三失敗[6]。

綜上本文針對以上2個問題進行研究，改進空三加密的方法。

1.1 優(yōu)化相機檢校方法，得出準(zhǔn)確的相機參數(shù)

現(xiàn)階段在無人機航測生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)生產(chǎn)單位使用的都是非量測相機。為了達(dá)到較好的航測精度，就必須對使用的非量測相機進行檢校，而且考慮到非量測相機的畸變差參數(shù)的不穩(wěn)定性，就必須隔段時間就對非量測相機進行檢校[7]。這樣，簡單快捷的相機標(biāo)定方法及軟件就顯得尤為重要和迫切，通過以下3種方法的比較來確定相機檢校的實施方案。

1.1.1 相機自檢校

自檢校方法是利用定焦相機的鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)不隨主距變化而變化的特點，通過預(yù)檢校獲取內(nèi)方位元素的變化規(guī)律，以此來減少檢校未知數(shù)的個數(shù)，達(dá)到簡化自檢校模型的目的[8]。在不需要建立檢校場的情況下，只利用目標(biāo)周圍的影像和影像之間的對應(yīng)關(guān)系對相機進行檢校，此種方法造價低，操作簡單，僅依靠一些影像和軟件即可完成，但經(jīng)過項目實驗發(fā)現(xiàn)，此種方法的缺點是穩(wěn)健性較差，對空三加密精度的提高有限，適用于相機參數(shù)本身比較準(zhǔn)確的影像，而對相機參數(shù)已發(fā)生較大變化的影像來說，改善效果并不明顯。

1.1.2 物理檢校

物理檢校需要將相機送往專業(yè)的研究機構(gòu)進行檢校。實驗表明，該方法得到的相機參數(shù)較為準(zhǔn)確，用此相機檢校參數(shù)能較大幅度地提高空三加密的高程精度。但該方法也存在一些缺點：① 費用較高，按一般情況估計，一臺非量測相機1 a的費用約為3～5萬元；② 必須將相機送往專業(yè)的實驗室，檢校周期較長，可能影響其他項目的航攝，相機來回運送也會產(chǎn)生較高的費用和風(fēng)險。

1.1.3 自主建立室內(nèi)檢校場進行檢校

結(jié)合無人機非量測型相機標(biāo)定的需求，本文提出了一種基于卡片式標(biāo)定板的便攜、免控制的相機標(biāo)定解決方案，給相機標(biāo)定帶來了較大的便利。

(1) 場地選擇

拍攝相機標(biāo)定影像，需要一個較開闊的拍攝場地。場地要求如下：① 拍攝場地需要光線充足；② 場地面積不能小于3 m×2 m；③ 拍攝者站立位置與墻壁距離不能小于3 m；④ 背景最好為白色的墻壁；⑤ 墻壁平整，確保四周沒有遮擋。

(2) 擺放標(biāo)定板

確定場地及擺放位置后，即可開始擺放標(biāo)定板。

1) 材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備泡沫板、雙面膠帶、大頭針等材料。

2) 擺放標(biāo)定板時先利用雙面膠帶將泡沫板固定在墻上，再利用大頭針將標(biāo)定板固定在泡沫板上。

布設(shè)標(biāo)定場時，標(biāo)定板之間需要有一定的高差，主要目的是模擬出地形起伏。按照標(biāo)定要求在規(guī)定的3個拍攝位置：標(biāo)定板正前方，標(biāo)定板右前方以及標(biāo)定板左前方，拍攝45張以上的影像，應(yīng)用相應(yīng)軟件進行一鍵標(biāo)定，計算出相機參數(shù)。相機檢校標(biāo)志擺放如圖3所示。

圖3 相機檢校標(biāo)志擺放示意圖

仍以貝殼梁風(fēng)電場的研究對象，比對2種相機檢校方法的效果，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 兩種相機檢校方法的相機參數(shù)應(yīng)用情況比較表

分析得到，室內(nèi)檢校場方法比物理檢校方法的精度略低，但室內(nèi)檢校場可以多次利用，大幅度降低成本。并且僅僅依靠相機檢校的辦法，空三加密精度并未完全滿足規(guī)范要求，需要繼續(xù)改進空三加密技術(shù)。

1.2 針對測區(qū)特點優(yōu)化軟件配置組合，提高無人機航測空三加密精度

1.2.1 Pixelgrid軟件的特點

Pixelgrid攝影測量系統(tǒng)是國產(chǎn)空三軟件的領(lǐng)先者，空三加密的精度可靠，質(zhì)量可控，被廣泛應(yīng)用于航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中。該軟件處理無人機航測數(shù)據(jù)，步驟劃分較細(xì)，優(yōu)點是程序穩(wěn)定，對無人機飛行姿態(tài)要求不高，每一環(huán)節(jié)都能進行人工干預(yù)和質(zhì)量控制，缺點是自動化程度不夠高，處理速度較慢，滿足不了項目工期需要。

1.2.2 Inpho軟件的特點

Inpho是世界領(lǐng)先的航測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最顯著的優(yōu)點是自動化程度與全自動匹配精度較高，但軟件對無人機飛行姿態(tài)、pos精度、地物紋理的要求較高，如遇到條件不理想的測區(qū)，匹配錯誤較多，而該軟件的人工干預(yù)量較少，對于困難區(qū)域無法保證空三加密精度。

以往采用的單一軟件的空三加密，由于各軟件本身的缺陷，存在較多點位中誤差超限和返工現(xiàn)象。2種優(yōu)勢明顯的軟件聯(lián)合使用，在充分利用inpho快速自動處理海量無人機數(shù)據(jù)能力的同時，能結(jié)合Pixelgrid過程控制的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)化資源配置，提高生產(chǎn)效率。聯(lián)合空三加密的優(yōu)勢如表4所示。

表4 pixelgrid與inpho聯(lián)合空三優(yōu)勢統(tǒng)計表

對貝殼梁風(fēng)電場影像數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)檢校參數(shù)，并使用pixelgrid與inpho聯(lián)合空三加密方法后，結(jié)果如表5所示，已滿足規(guī)范要求。

表5 貝殼梁風(fēng)電場無人機航測1∶2 000空三加密精度統(tǒng)計表(聯(lián)合空三方法)

選取了其他幾個航測成圖項目，利用空三加密得到的基本定向點中誤差，結(jié)果如表6所示。

表6 技術(shù)改進前后情況對比表

在此后的1∶1 000地形圖的谷梁風(fēng)電場、哈密抽水蓄能等項目也得到了驗證，空三加密精度完全滿足國家1∶1 000空三加密的規(guī)范要求。統(tǒng)計結(jié)果如表7所示。

表7 1∶1 000空三加密精度統(tǒng)計表

對上述兩個1∶1 000無人機航測項目進行了空三加密的精度統(tǒng)計分析，得到圖4，表明1∶1 000地形圖的空三加密精度也能滿足國家規(guī)范的相應(yīng)要求。

圖4 1∶1 000項目空三加密精度統(tǒng)計圖

2 結(jié) 語

本論文主要研究了無人機航測空三加密精度的提高方法，通過比較各種相機檢校方法，綜合考慮精度、效率和成本，自主創(chuàng)建了高精度的室內(nèi)相機檢校場；并進行了空三加密軟件的聯(lián)合平差實驗，優(yōu)化了軟件組合和配置；從而完成了對傳統(tǒng)空三加密流程的改進。

經(jīng)過與傳統(tǒng)空三加密方法的比較實驗以及項目推廣實驗，表明了改進后的空三加密方法較好地解決了無人機航測高程精度較低的問題，空三結(jié)果能滿足1∶1 000、1∶2 000地形圖國家規(guī)范的精度要求，從而提高了航測成圖的精度。綜上所述，本文研究的方法為無人機航測成圖提供了一種較新的思路和較為實用的方法。