柏宏強(qiáng)，夏永華，李澤邦，郭 雨

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高海拔山區(qū)像控點(diǎn)分布對測量精度的影響分析

柏宏強(qiáng)1，夏永華1，李澤邦2，郭 雨2

（1. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2. 云南省高校高原山區(qū) 空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南 650093）

低空無人機(jī)攝影測量具有快速獲取地面高分辨率影像、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。影響無人機(jī)攝影測量精度的因素有很多，本文重點(diǎn)研究不同像控點(diǎn)的布設(shè)對測量精度的分析。試驗選取的地點(diǎn)地形變化復(fù)雜，高差變化明顯，是高海拔山區(qū)的典型地形，利用SVSUAV軟件對獲取的影像處理后得到空三平差、數(shù)字正射影像以及數(shù)字線畫圖等成果，與GPS-RTK實測數(shù)據(jù)對比得出空三平差后各檢查點(diǎn)的坐標(biāo)差值，本次實驗共布設(shè)三種像控點(diǎn)布設(shè)方案，分別是航線網(wǎng)法、區(qū)域網(wǎng)法和優(yōu)化航線網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)法的布設(shè)方案。分析得出的結(jié)論是，優(yōu)化方案有效合理，對于高海拔山區(qū)無人機(jī)攝影測量精度有明顯提高，在小面積無人機(jī)測繪作業(yè)中有很大優(yōu)勢。

高海拔山區(qū)；像控點(diǎn)布設(shè)；空三測量平差；數(shù)字正射影像；精度分析

0 引言

近年來，測繪儀器發(fā)展迅速，特別是無人機(jī)測量興起，輕型無人機(jī)平臺與控制系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)級數(shù)碼相機(jī)[1]逐步進(jìn)入了測繪領(lǐng)域，改變了傳統(tǒng)測量手段，在小區(qū)域范圍內(nèi)無人機(jī)攝影測量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，特別是在城市建設(shè)、城市管理、應(yīng)急救災(zāi)[2]、自主監(jiān)視、攝影測量三維建模[3]等領(lǐng)域。云南地處高海拔地區(qū)、地形地貌多變、空氣對流情況復(fù)雜，無人機(jī)攝影測量技術(shù)面臨著更多的考驗。

因此，優(yōu)化無人機(jī)攝影測量的方法顯得尤為重要，像控點(diǎn)的分布直接影響到數(shù)據(jù)精度，國內(nèi)近幾年實際生產(chǎn)中都是利用航線網(wǎng)法、區(qū)域網(wǎng)法、全野外法等方法布設(shè)像控點(diǎn)，對于高差較大地區(qū)難以達(dá)到目前的工程需求。本文結(jié)合實際項目，對于高海拔，高差大、地形復(fù)雜地區(qū)的像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行探討研究，對不同像控點(diǎn)布設(shè)的精度變化，優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)方法，結(jié)合多種布點(diǎn)方法進(jìn)行試驗，找出適合高海拔、高差大、復(fù)雜地形地貌的像控點(diǎn)布設(shè)方案。

1 無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)采集

1.1 無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)組成

無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)一般分為：無人機(jī)飛行平臺、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)測系統(tǒng)、任務(wù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)和地面保障設(shè)備七個部分[5]。

1.2 數(shù)據(jù)采集的一般流程

參考國家規(guī)范《1:500 1:1000 1:2000比例尺地形圖航空攝影規(guī)范》（GB6962-86）闡述無人機(jī)攝影測量的外業(yè)作業(yè)流程，一般作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程圖

1.3 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于云南省武定縣城東南部，測區(qū)地形主要是山地，坡度大于45°，測區(qū)平均高程約1780 m左右，地形復(fù)雜、落差大，是云南地形的典型代表，測區(qū)內(nèi)有大矣波村的居民點(diǎn)，植被密度不超過30%，適合利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)作業(yè)，測區(qū)范圍如圖2所示。

圖2 試驗區(qū)

2 無人機(jī)攝影測量像控點(diǎn)布設(shè)方案

影響無人機(jī)攝影測量因素有：飛行姿態(tài)及飛行速度不穩(wěn)定、相機(jī)的鏡頭畸變差、內(nèi)方位元素、像控點(diǎn)分布不同等因素[8]。

由于試驗測區(qū)為高山地、地形變化復(fù)雜、局部高差大等特殊地形。通過可控制手段優(yōu)化像控點(diǎn)分布，使得測量精度達(dá)到更高，因此在不改變外業(yè)航攝成果基礎(chǔ)上，對像控點(diǎn)布設(shè)方案上加以改進(jìn)，應(yīng)用以下方案解算比較精度發(fā)生的變化。

2.1 航線網(wǎng)法

航線網(wǎng)布設(shè)方法：按照航線每分段布設(shè)六個平高點(diǎn)稱為六點(diǎn)法如圖3所示；如果每分段布設(shè)八個平高點(diǎn)稱為八點(diǎn)法；如果航線網(wǎng)的長度比較短小于最大允許長度的3/4，又大于1/2的航線網(wǎng)，可以布設(shè)5個平高點(diǎn)稱為五點(diǎn)法。

圖3 航線網(wǎng)法布設(shè)示意圖

2.2 方案二（區(qū)域網(wǎng)法）

參考規(guī)范《GBT 7931-2008 1：500 1：1000 1：2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》和《CHZ 3004-2010低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》，區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時應(yīng)該滿足一下要求：

（1）區(qū)域網(wǎng)內(nèi)不包括在航飛時重疊的航線和像對，不包括大面積的云影、陰影等；

（2）精度依據(jù)規(guī)范CHZ 3003-2010來選取適當(dāng)?shù)拈g隔基線數(shù)，特殊地區(qū)（大面積沙漠、戈壁、沼澤、森林等）平面和高程誤差可以適當(dāng)放寬；

區(qū)域網(wǎng)用于加密平面控制點(diǎn)時，可以沿測區(qū)周邊布設(shè)4個、6個、8個平高點(diǎn)特殊地形特殊處理，分別如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 區(qū)域網(wǎng)四點(diǎn)法

圖5 區(qū)域網(wǎng)六點(diǎn)法

圖6 區(qū)域網(wǎng)布八點(diǎn)法

圖7 區(qū)域網(wǎng)六點(diǎn)法加高程點(diǎn)

圖8 區(qū)域網(wǎng)法（特殊地形）

2.3 方案三（ 優(yōu)化航線網(wǎng)法和區(qū)域網(wǎng)法）

參照低空攝影測量像控點(diǎn)布設(shè)規(guī)范，結(jié)合航線網(wǎng)法以及區(qū)域網(wǎng)法，利用其優(yōu)點(diǎn)，針對特殊地形進(jìn)行像控點(diǎn)加密，例如圖9中的三角形紅點(diǎn)為加密點(diǎn)，加密依據(jù)為：

（1）落差大的地區(qū)需要對坡頂和坡底分別布設(shè)相應(yīng)像控點(diǎn)；

（2）對于地形變化較大的地區(qū)需要加設(shè)像控點(diǎn)；

（3）重要地物附近應(yīng)加設(shè)像控點(diǎn)，例如：房屋、電力設(shè)施、專題地圖要素等應(yīng)加設(shè)像控點(diǎn)，保障重要地物的精度，如圖9加設(shè)控制點(diǎn)，圖中紅色三角形代表加設(shè)點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計

3.1 SVSUAV軟件介紹

武漢智覺空間無人機(jī)攝影測量軟件 SVSUAV，它包括高精度且靈活的相機(jī)標(biāo)定模塊、影像自動預(yù)處理、自動劃分航線、自動空三測量模塊、空三交互編輯模塊、自主區(qū)域網(wǎng)平差、支持高精度GPS/ IMU輔助平差、高密度高精度DSM點(diǎn)云生成模塊、DEM/DOM 聯(lián)動編輯模塊、自動化的DOM 裁切模塊、DEM LOD 細(xì)節(jié)層次模型生成模塊等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理的基本流程為數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密、成果生產(chǎn)與輸出。

數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先準(zhǔn)備好原始影像、相文件、控制點(diǎn)文件以及POS數(shù)據(jù)文件，打開軟件新建測區(qū)設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，將影像、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件導(dǎo)入控制點(diǎn)文件并設(shè)置航帶后可以開始預(yù)處理。

空三加密：將預(yù)處理好的影像先進(jìn)行自動匹配轉(zhuǎn)點(diǎn)，進(jìn)行自由網(wǎng)平差（如果點(diǎn)比較稀疏需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)點(diǎn)），刺像控點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，最后將空三成果輸出，部分過程圖和成果圖展示如圖10、圖11、圖12、圖13。

圖10 正射影像融合圖

圖11 修改后的數(shù)字表面模型

成果生產(chǎn)與輸出：利用空三成果可以生產(chǎn)出數(shù)字線畫圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像等。

3.3 精度統(tǒng)計

通過以上三種像控點(diǎn)布設(shè)方案，利用SVSUAV軟件解算，得出空三加密成果及數(shù)字正射影像，與利用GPS-RTK測量的結(jié)果做比較，計算出檢查點(diǎn)的平面中誤差，高程中誤差和平高點(diǎn)的中誤差。

檢查點(diǎn)整體中誤差計算公式[10]見以下（1）式：

圖13 DOM成果圖

共測得60個平高點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，通過統(tǒng)計計算得出空三加密后檢查點(diǎn)各方案的精度情況見表1，正射影像圖的各方案精度統(tǒng)計見下表2。

表1 空三加密后檢查點(diǎn)各方案精度統(tǒng)計 單位：米

Tab.1 Accuracy statistics of checkpoints after empty triple encryption Unit: m

表2 正射影像圖各方案精度統(tǒng)計 單位：米

Tab.2 Accuracy Statistics of Schemes for DOM Unit: m

4 結(jié)論

針對低空無人機(jī)在高海拔山區(qū)進(jìn)行研究了像控點(diǎn)布設(shè)的方案，通過表1和表2分析得出空三平差后檢查點(diǎn)精度和正射影像圖精度的結(jié)論是：

（1）空三平差優(yōu)化后的航線網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)法精度高于前面兩種方案，在像控點(diǎn)數(shù)量少的情況下，高程誤差會偏大，隨著像控點(diǎn)布設(shè)方案改善，高程中誤差也逐漸減小。因此，在我們今后實施無人機(jī)攝影測量時應(yīng)該結(jié)合區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)和航線網(wǎng)法布點(diǎn)并且應(yīng)該在地形復(fù)雜，落差大，重要地物區(qū)域加設(shè)像控點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)精度。

（2）正射影像對像控點(diǎn)布設(shè)方案要求不是非常高，航線網(wǎng)法與區(qū)域網(wǎng)法的精度都比較理想，優(yōu)化后的航線區(qū)域網(wǎng)法的精度有明顯提高。數(shù)據(jù)顯示點(diǎn)位中誤差變小，說明這個方法有效合理。

導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量差的可能原因有：像控點(diǎn)分布不均勻，集中于某一片區(qū)、像控點(diǎn)數(shù)量太少、個別像控點(diǎn)位置不理想，布設(shè)位置上有一定坡度、在高差較大地區(qū)未增加像控點(diǎn)個數(shù)、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致自由網(wǎng)平差部分區(qū)域誤差較大等。對于航拍影像 模糊的情況我們應(yīng)加以處理，使得照片的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

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Analysis of Influence of Image Control Point Distribution on Measurement Accuracy in High Altitude Mountain Areas

BAI Hong-qiang1, XIA Yong-hua1, LI Ze-bang2, GUO Yu2

(1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2. Surveying&Mapping Technology and Application Research Center on Plateau Mountains of Yunnan Higher Education, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Low altitude UAV photogrammetry has the advantages of quick acquisition of high resolution images on the ground, convenient and flexible use.There are many factors that affect the accuracy of drone's photogrammetry. This paper focuses on the analysis of the measurement accuracy of the layout of different image control points.The terrain changes in the site of the test are complex and the height difference is obvious. It is a typical terrain in high altitude mountain area. By using the SVSUAV software, the results of the empty three plane difference, the Digital Orthophoto Image and the digital line drawing after the acquired image processing are obtained, and the difference of the coordinates of each checkpoint after the empty three plane difference is compared with the measured data from the GPS-RTK. In the second experiment, three image control points were set up, namely, the route grid method, the area grid method and the optimized grid area grid method.The conclusion of the analysis is that the optimization scheme is effective and reasonable, and the accuracy of photogrammetry for high-altitude mountain drones is significantly improved, and it has great advantages in the small-area drone surveying operations.

High altitude mountain area; Image control point layout; Aerotriangulation adjustment; Digital orthophoto; Precision analysis

TP79

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.029

柏宏強(qiáng)(1994-)，男，研究生，主要研究方向：無人機(jī)攝影測量及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；夏永華(1972-)，男，副教授，主要研究方向：測繪工程、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及3S技術(shù)等研究；李澤邦(1991-)，男，研究生，主要研究方向：三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；郭雨(1993-)，男，研究生，主要研究方向：三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

本文著錄格式：柏宏強(qiáng)，夏永華，李澤邦，等. 高海拔山區(qū)像控點(diǎn)分布對測量精度的影響分析[J]. 軟件，2018，39（9）：144-148