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        像控點布設(shè)對無人機(jī)小范圍非規(guī)則區(qū)域?qū)嵕敖>鹊挠绊?/h1>
        2020-05-23 06:06:20張光祖王春徐燕陶宇吳亮盛帥
        全球定位系統(tǒng) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:模型

        張光祖,王春,徐燕,陶宇,吳亮,盛帥

        (1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.實景地理環(huán)境安徽省重點實驗室,安徽 滁州 239000;3.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000)

        0 引 言

        實景模型是對現(xiàn)實世界的虛擬表達(dá),能真實直觀地還原地物地貌特征,被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃[1]、資源管理[2]、應(yīng)急指揮[3]等方面.當(dāng)下對于實景模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)源主要包括大例尺地形圖和外業(yè)人工拍照組合[4-5]、激光點云數(shù)據(jù)[6-7]和傳統(tǒng)航空攝影測量[8],雖然由此構(gòu)建的實景模型取得了良好的應(yīng)用效果,但存在更新慢、成本高、效率低等問題,制約了實景模型的發(fā)展[9].

        隨著無人機(jī)傾斜攝影測量的出現(xiàn),實景模型的構(gòu)建進(jìn)入了新的發(fā)展階段.然而,無人機(jī)所搭載的非量測相機(jī)像幅小、航向和旁向重疊度大,依據(jù)傳統(tǒng)航攝要求布設(shè)的像控點數(shù)量需成倍增加[10],像控點的布設(shè)和測量成為制約生產(chǎn)效率的重要因素之一.目前已有學(xué)者研究指出像控點的數(shù)量、分布對航測精度產(chǎn)生影響:蘇世偉等[11]指出像控點數(shù)量對航攝精度的影響并非呈線性關(guān)系;周旺輝等[12]指出四周均勻加少量內(nèi)部控制的方法為最優(yōu)布點方式,朱進(jìn)等[13]認(rèn)為四角點組的方式布設(shè)像控點可提高空三精度,但都基于規(guī)則測區(qū)的像控點布設(shè)方法,在非規(guī)則測區(qū)應(yīng)用效果有限.在測圖生產(chǎn)中:買小爭等[14]提出隔航帶、隔6條基線的方式布設(shè)像控點,可滿足1∶1000 正射影像制圖精度;彭凱笛等[15]建議在大比例尺測圖時使用四角中心點方式布設(shè)像控點;李萬能等[16]指出根據(jù)地形調(diào)整網(wǎng)狀點位布設(shè)間距,在有效減少冗余像控點的基礎(chǔ)上,航測結(jié)果滿足1∶2000 地形圖精度要求.

        以上研究均表明,像控點的布設(shè)數(shù)量和位置,對實景模型精度、外業(yè)測繪工作量、模型構(gòu)建成本等會產(chǎn)生很大影響.非規(guī)則測區(qū)由于其邊緣形態(tài)各異,如何選取最少像控點數(shù)量、最佳像控點布設(shè)位置,從而實現(xiàn)最高精度實景模型的構(gòu)建,還有待進(jìn)一步研究.鑒于此,本文采取邊緣布設(shè)、邊緣加少量中心布設(shè)、中心布設(shè)三種不同的像控點布設(shè)方式進(jìn)行實景模型構(gòu)建,對比分析像控點數(shù)量和布設(shè)位置對非規(guī)則區(qū)域模型精度的影響特征.

        1 實景模型構(gòu)建技術(shù)流程

        傾斜攝影建模的主要步驟有:數(shù)據(jù)預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視角影像匹配、數(shù)字表面模型(DSM)生成和正射糾正等[17].1)數(shù)據(jù)預(yù)處理階段需要對影像進(jìn)行篩選,剔除不合格的像片,確定相機(jī)參數(shù),整理影像姿態(tài)位置數(shù)據(jù),確保每張影像信息的完整;2)結(jié)合影像姿態(tài)位置數(shù)據(jù)和地面控制點點坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,解算出像片方位元素;3)利用多基元匹配算法獲得加密特征點云并構(gòu)建格網(wǎng)模型;4)紋理映射,為格網(wǎng)模型覆蓋上最匹配的真實影像.5)對輸出的實景模型進(jìn)行精度驗證.技術(shù)流程如圖1所示.

        圖1 技術(shù)流程

        2 工程實踐

        2.1 像控點的布設(shè)

        本次實驗區(qū)為臨泉縣某區(qū)域,面積0.25 km2,測區(qū)形態(tài)為非規(guī)則多邊形,根據(jù)實際形態(tài)特征設(shè)計了三種像控點布設(shè)方案.

        方案一:邊緣布設(shè),根據(jù)測區(qū)實際形態(tài),在測區(qū)邊緣布設(shè)像控點,像控點依次連線構(gòu)成的面盡量包含整個測區(qū),本次布設(shè)5個點,如圖2(a)所示.

        方案二:邊緣加少量中心布設(shè),在滿足邊緣布設(shè)的情況下,測區(qū)中部增設(shè)少量像控點,本次共布設(shè)8個像控點,如圖2(b)所示.

        方案三:中心布設(shè),僅在測區(qū)中部布設(shè)像控點,本次布設(shè)5個像控點,如圖2(c)所示.

        依據(jù)外業(yè)控制點的布設(shè)規(guī)范,像控點布設(shè)在空曠、地表起伏較小的區(qū)域.另在測區(qū)內(nèi)布設(shè)10個檢核點,在連接地面參考站(CORS)的情況下使用實時動態(tài)(RTK)差分技術(shù)測量點位坐標(biāo),用于模型精度檢查.

        (a) 邊緣布設(shè)

        (b) 邊緣加少量中心布設(shè)

        (c) 中心布設(shè)圖2 像控點布設(shè)分布圖

        2.2 數(shù)據(jù)采集與建模

        大疆精靈4 RTK為多旋翼小型無人機(jī),如圖3所示,飛行方式靈活,可自由調(diào)整鏡頭傾角,集成的RTK模塊可有效提高影像的定位定姿(POS)精度,滿足高精度航攝的要求.設(shè)置航向重疊、旁向重疊均為80%,飛行高度100 m,鏡頭傾角60°,對測區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,最終獲得5 351張航空影像.外業(yè)航測信息如表1所示.

        圖3 大疆精靈4 RTK 無人機(jī)

        表1 航測信息表

        本次實驗利用Context Capture軟件構(gòu)建實景模型,以邊緣布設(shè)為例,構(gòu)建模型如圖4所示,紋理細(xì)節(jié)逼真.

        (a) 全區(qū)模型 (b) 局部模型圖4 模型效果展示

        3 模型精度分析

        3.1 像控點精度驗證

        由于像控點對模型精度有重要影響,在對三種方案所得實景模型進(jìn)行精度評價前,先驗證像控點的精度,以避免像控點測量粗差或像控點被破壞對模型精度的影響.綜合三種像控點布設(shè)方案共得到10個不同位置的像控點,結(jié)合影像POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量.像控點空三解算質(zhì)量報告如表2所示.

        由空三解算結(jié)果可知,重投影中誤差均在1個像素點以內(nèi),準(zhǔn)確度很高;像控點水平中誤差為0.006 m,垂直中誤差為0.007 m.像控點精度高,均可用于實景模型的構(gòu)建.

        表2 像控點質(zhì)量表

        3.2 點位精度分析

        對使用不同方案構(gòu)建得到的模型做點位精度分析,以檢核點的RTK測量坐標(biāo)為真值,對應(yīng)的模型點坐標(biāo)為測量值,檢核各方案構(gòu)建模型的點位精度.中誤差計算公式為

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        式中:n為檢核點數(shù)量;Δxi,Δyi,Δzi為各點位真誤差; ?x,?y,?z為各軸向中誤差;?xy為平面中誤差.

        計算得到各模型的平面中誤差和高程中誤差,結(jié)果如表3所示;各檢核點平面誤差和高程誤差如圖5~6所示.分析可知:

        1) 方案一:模型平面誤差在0.0103~0.0496 m,RMSE平面為0.033 4 m;高程誤差在0.0014~0.0778 m,RMSE高程為0.039 8 m.方案二模型平面誤差在0.0106~0.0463 m,RMSE平面為0.029 8 m;高程誤差在0.0019~0.0638 m,RMSE高程為0.0408 m.方案三模型平面誤差在0.0123~0.0725 m,RMSE平面為0.045 8 m,平面誤差超過5 cm的檢核點有5個;高程誤差在0.00550~0.0934 m,RMSE高程為0.053 3 m.

        2) 由方案一和方案二可知:根據(jù)非規(guī)則測區(qū)邊緣形態(tài),兩種方案所得模型精度均滿足1∶500 比例尺測圖精度要求;在測區(qū)中部增加3個中心像控點時,模型平面精度僅提升0.003 6 m.在像控點布設(shè)位置合適的情況下,增加像控點布設(shè)數(shù)量對模型精度影響較低.

        3) 中心布設(shè)像控點的方式所得模型精度無法滿足1∶500 比例尺測圖精度要求,外業(yè)布設(shè)像控點時應(yīng)注意避免該點位布設(shè)方案,像控點不應(yīng)僅布設(shè)在測區(qū)中部.

        表3 檢核點精度 m

        圖5 檢核點平面精度

        圖6 檢核點高程精度

        3.3 幾何精度分析

        由于實景模型中有大量建筑、道路等幾何結(jié)構(gòu),僅考慮點位誤差忽略了模型的幾何精度,對模型的精度評價也顯得單一.在模型內(nèi)選擇若干點連線,L1、L4、L5為東西方向、L2、L3為南北方向,通過線段誤差對模型的幾何精度做進(jìn)一步分析.以實測值作為真值,模型上測量三次線段長度取平均值作為測量值,三種方案線段相對精度如表4所示,線段長度誤差如圖7所示.分析可知:

        1) 三種方案構(gòu)建的模型線段相對精度均在0.015%以內(nèi),模型幾何精度較高,具有良好的應(yīng)用價值.

        2) 三種方案構(gòu)建的模型中線段L2、L3、L5的長度誤差相同,像控點的布設(shè)方式以及數(shù)量對模型的幾何精度影響較小.

        表4 線段相對誤差

        圖7 線段長度誤差

        3.4 普適性驗證

        另選兩塊形狀不同的非規(guī)則驗證區(qū),面積分別為0.27 km2和0.28 km2.在檢核像控點精度滿足建模要求的情況下做相同實驗,驗證所得結(jié)果的普適性,像控點布設(shè)方案如表5所示.驗證區(qū)一、二的點位精度分別如圖8~11所示,線段相對精度如表6~7所示.對比分析可得如下結(jié)論:

        1) 方案一和方案二的點位精度均滿足1∶500比例尺測圖要求.兩個驗證區(qū)的方案三中,分別有2個和1個檢核點平面誤差大于1∶500 比例尺測圖規(guī)范要求.

        2) 兩個驗證區(qū)模型的幾何精度都很高,線段相對精度分別小于0.016%和0.015%.

        總體上來看,兩個驗證區(qū)的精度結(jié)果和實驗區(qū)相符,實驗區(qū)的結(jié)果具有普適性.

        表5 驗證區(qū)像控點分布

        表6 驗證區(qū)一線段相對精度

        表7 驗證區(qū)二線段相對精度

        圖8 驗證區(qū)一平面精度 圖9 驗證區(qū)一高程精度

        圖10 驗證區(qū)二平面精度 圖11 驗證區(qū)二高程精度

        4 結(jié) 論

        本文實驗區(qū)和驗證區(qū)均為面積為0.3 km2左右的小范圍非規(guī)則區(qū)域,地物要素豐富,實驗數(shù)據(jù)為航拍分辨率2 cm的影像,按照三種像控點布設(shè)方式構(gòu)建實景模型,并進(jìn)行精度分析,得到以下結(jié)論:

        1) 根據(jù)非規(guī)則測區(qū)實際形態(tài)特征,按照邊緣布設(shè)五個像控點和邊緣加少量中心布設(shè)八個像控點建立的實景模型,模型精度均滿足1∶500 大比例尺測圖精度要求.當(dāng)考慮成本更加經(jīng)濟(jì)、效率更高時選擇邊緣布設(shè)像控點方式;當(dāng)考慮到模型精度的檢核需要時,可選擇邊緣加少量中心布設(shè)的方式.

        2) 像控點位置對模型精度有較大影響.應(yīng)優(yōu)先考慮對非規(guī)則測區(qū)的邊緣控制,像控點連線形成的凸多邊形應(yīng)盡量多地包含整個非規(guī)則測區(qū).僅在測區(qū)中部布設(shè)像控點時,模型邊緣精度無法滿足1∶500 比例尺精度要求.

        3) 像控點數(shù)量對實景模型精度影響與布設(shè)位置有關(guān):當(dāng)像控點布設(shè)位置較差時,如中心像控,像控點數(shù)量對模型精度影響較大;當(dāng)像控點位置比較理想,如達(dá)到邊緣控制的要求,增加像控點布設(shè)數(shù)量并不能顯著提升實景模型精度.

        4) 通過調(diào)整像控點布設(shè)位置可在保證精度的情況下有效減少像控點的布設(shè)數(shù)量,但無法在構(gòu)建高精度模型時免除像控點,未來免像控高精度建模仍是需要努力的方向.

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