孟 瑞，廖開懷，吳希文，徐永明

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510090；2. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

當(dāng)前，高分辨率無人機(jī)影像在大比例尺測(cè)圖中應(yīng)用廣泛[1-2]，像控點(diǎn)的布設(shè)方式是影響無人機(jī)地形圖測(cè)繪效率及精度的關(guān)鍵因素[3-4]。傳統(tǒng)無人機(jī)大比例尺測(cè)圖需要大量野外像控點(diǎn)，探討像控點(diǎn)的優(yōu)化布設(shè)方案可使測(cè)圖工作更加高效，成圖精度更高[5-6]。平原地區(qū)承載大量經(jīng)濟(jì)、工程建設(shè)，對(duì)測(cè)繪地理信息產(chǎn)品需求更多，已有研究多針對(duì)某一具體工程應(yīng)用中像控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行分析[7-8]，未深入研究平原地區(qū)像控點(diǎn)分布與成圖精度間的關(guān)系以及精度提升措施。另外，無人機(jī)航片高精度定位定向系統(tǒng)(position and orientation system，POS)數(shù)據(jù)對(duì)空三加密成果以及測(cè)圖成果精度有顯著影響[9-10]，目前對(duì)其尚缺乏研究分析和實(shí)踐驗(yàn)證。

鑒此，本文梳理無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作流程并分析其關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合無人機(jī)大比例尺測(cè)圖實(shí)踐設(shè)計(jì)四組基于區(qū)域網(wǎng)法的像控點(diǎn)布設(shè)方案，其中含有高精度POS輔助的對(duì)比方案，基于Pix4Dmapper平臺(tái)處理各方案航片數(shù)據(jù)，探討滿足規(guī)范精度的平原地區(qū)像控點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方式并總結(jié)無人機(jī)測(cè)圖的精度提升措施，為提高野外像控測(cè)量工作效率及平原地區(qū)無人機(jī)大比例尺測(cè)圖精度提供科學(xué)參考。

1 已有像控點(diǎn)布設(shè)方法分析

無人機(jī)測(cè)圖關(guān)鍵技術(shù)包括航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)、影像預(yù)處理、影像匹配、空中三角測(cè)量解算及3D成果產(chǎn)品的制作等[11]。上述關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作業(yè)流程及影像處理階段(見圖1)，對(duì)成果的質(zhì)量有重要影響。其中，像控點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量及分布方式會(huì)直接影響成圖精度且是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理多基于光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量平差進(jìn)行[12]，在保證測(cè)圖精度的同時(shí)對(duì)像控點(diǎn)數(shù)量的要求大大降低，但已有攝影測(cè)量像控點(diǎn)布點(diǎn)方式要求布設(shè)像控點(diǎn)較多[13]。因此，深入分析已有像控點(diǎn)布設(shè)方式及其關(guān)鍵技術(shù)，以期保證精度的同時(shí)優(yōu)化像控點(diǎn)布點(diǎn)方式并減少外業(yè)工作量。

圖1 無人機(jī)作業(yè)及影像處理流程Fig.1 Technique process of operation of UAV and image processing

無人機(jī)測(cè)圖控制測(cè)量包括像控點(diǎn)的外業(yè)控制測(cè)量及像控點(diǎn)的內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)，內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)主要是人機(jī)交互的過程，外業(yè)布點(diǎn)要求相對(duì)較高。外業(yè)像控點(diǎn)要求布設(shè)在成像清晰且上空開闊的區(qū)域、避免航片的邊緣，另外像控點(diǎn)應(yīng)盡量被多張航片拍攝，以便控制多航片。外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方法有全野外法和非全野外法[14]，全野外法布點(diǎn)工作量大、效率較低，目前主要采用非全野外法布設(shè)像控點(diǎn)，其包括航線網(wǎng)法和區(qū)域網(wǎng)法[15]。非全野外像控點(diǎn)布設(shè)方法需要少量的像控點(diǎn)，基于解析空中三角測(cè)量進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，進(jìn)而獲取加密點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.1 航帶網(wǎng)法像控點(diǎn)布設(shè)

航帶網(wǎng)法像控點(diǎn)依據(jù)航線分段布設(shè)，通過限制相鄰像控點(diǎn)間的基線間隔或距離，從而保證加密點(diǎn)精度。當(dāng)前像控點(diǎn)外業(yè)測(cè)量平面精度高于高程方向，所以對(duì)平面和高程像控點(diǎn)提出不同的限制要求，CH/Z 3003-2010規(guī)范中航向基線間隔計(jì)算公式[16]見式(1)，平面像控點(diǎn)旁向航線間隔要求1∶1 000及更大比例尺測(cè)圖時(shí)航線間隔不超過5，比例尺小于1∶1 000時(shí)航線間隔為不超過6。

式中，ms、mh分別為加密點(diǎn)平面、高程中誤差，其單位分別為mm、m； K 為航片放大倍數(shù)； H為相對(duì)航高，m；b為 基線長(zhǎng)，mm；mq為視差量測(cè)中誤差，mm；n 為航線方向相鄰平面控制點(diǎn)的間隔基線數(shù)。

具體的航帶網(wǎng)法包括五點(diǎn)法、六點(diǎn)法和八點(diǎn)法[17]。六點(diǎn)法在每條航線的首尾兩端及中央的旁向重疊范圍內(nèi)，各布設(shè)一對(duì)平高點(diǎn)，如圖2(a)所示；八點(diǎn)法在航帶網(wǎng)內(nèi)，布設(shè)八個(gè)平高點(diǎn)，如圖2(b)所示；五點(diǎn)法在航帶網(wǎng)中央的像主點(diǎn)上方或下方只需布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，如圖2(c)所示。

圖2 3種航帶網(wǎng)法布點(diǎn)方案Fig.2 Three layout schemes based on aerial strip network method(including 6, 8 and 5 points method)

1.2 區(qū)域網(wǎng)法像控點(diǎn)布設(shè)

區(qū)域網(wǎng)法在區(qū)域網(wǎng)周邊布設(shè)平高點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)部增加高程點(diǎn)。3種典型布點(diǎn)方案分別是周邊布設(shè)平高點(diǎn)加內(nèi)部布設(shè)高程點(diǎn)方法、周邊間隔布設(shè)平高點(diǎn)與高程點(diǎn)且關(guān)鍵部位布設(shè)雙平高點(diǎn)、周邊密集布設(shè)平高點(diǎn)，示意圖分別見圖3(a)、(b)及(c)。其中，基于光束法區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)，一般按照?qǐng)D3(b)間隔布設(shè)平高點(diǎn)與高程點(diǎn)，特殊情況為提高像控點(diǎn)可靠性，可在關(guān)鍵位置布設(shè)雙點(diǎn)；應(yīng)用RTK(Real-time Kinematic)聯(lián)測(cè)像控點(diǎn)時(shí)，可按圖3(c)密集布設(shè)平高點(diǎn)。

圖3 區(qū)域網(wǎng)法3種典型布點(diǎn)方案Fig.3 Three layout schemes based on area grid method

2 像控點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化方案及應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況及航攝參數(shù)

研究區(qū)位于河北省辛集市境內(nèi)，面積約為1 km2，距辛集火車站約5 km，地理坐標(biāo)大致為東經(jīng)115°14′08″～115°14′22″，北緯37°51′43″～ 37°51′51″，東西兩側(cè)鄰近省道，交通便利。屬平原地形，地勢(shì)平坦，域內(nèi)多為農(nóng)村居民房屋。屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏秋兩季相對(duì)濕度大，冬春兩季相對(duì)濕度小。研究區(qū)地貌地物及位置如圖4所示。

圖4 研究區(qū)地貌地物及位置Fig.4 Landforms and locations in the study area

航拍采用南方無人機(jī)搭載SONY-QX100非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)獲取航測(cè)遙感圖像，相機(jī)分辨率為5 472×3 648像素，有效像素2 020萬，具有光學(xué)防抖功能，伸縮式鏡頭、30 mm焦距，CCD尺寸為36×54 mm，共飛行16條航線，每條航帶平均基線數(shù)為15條，完成高重疊度航拍，獲取航片282張。研究區(qū)詳細(xì)航攝技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 航攝技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of aerial photography

2.2 像控點(diǎn)優(yōu)化布點(diǎn)方案

本測(cè)區(qū)若依據(jù)航帶網(wǎng)法布設(shè)像控點(diǎn)，約需布設(shè)24個(gè)像控點(diǎn)，工作量較大。為此，本實(shí)驗(yàn)基于光束法區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置4種不同數(shù)量及分布的像控點(diǎn)布設(shè)方案并考慮POS數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)圖的影響，比較空三加密點(diǎn)精度以及檢查點(diǎn)精度，進(jìn)而得出滿足大比例尺測(cè)圖要求且成圖精度最高的像控點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方案。

本次航測(cè)實(shí)測(cè)像控點(diǎn)數(shù)量為31個(gè)，在內(nèi)業(yè)處理中設(shè)計(jì)4種布設(shè)方案進(jìn)行刺點(diǎn)并參與空三加密平差處理，進(jìn)而由Pix4Dmapper生成區(qū)域網(wǎng)光束法空中三角測(cè)量平差報(bào)告、制作測(cè)區(qū)數(shù)字地表模型(Digital Surface Model, DSM)、數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map, DOM)，最終計(jì)算所刺像控點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，并將22個(gè)野外檢查點(diǎn)與空三測(cè)量平差成果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其點(diǎn)位精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)各方案的精度對(duì)比。4種布點(diǎn)方案見圖5，其詳細(xì)的參數(shù)見表2。像控點(diǎn)標(biāo)志為紅色“L”型實(shí)地噴涂布設(shè)，并在“L”型標(biāo)志外角處打入鋼釘，在圖中表示為黃色三角點(diǎn)位。

圖5 4種布點(diǎn)方案Fig.5 Four layout schemes of image control point

表2 實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)方案參數(shù)Table 2 Parameters of the experimental layout scheme個(gè)

由表2可知，方案1布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量最少，方案2布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量最多，方案3與方案4主要對(duì)比POS數(shù)據(jù)對(duì)空三加密計(jì)算和成圖精度的影響。結(jié)合圖5可知，方案1與方案3主要對(duì)比在控制點(diǎn)數(shù)目基本一致條件下，其空間分布對(duì)成圖精度的影響。

3 像控點(diǎn)布設(shè)方案精度對(duì)比及精度提升措施

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)方案精度對(duì)比分析

基于Pix4Dmapper分別解算2.2節(jié)4種布設(shè)方案，生成區(qū)域網(wǎng)光束法空中三角測(cè)量平差報(bào)告，統(tǒng)計(jì)每種方案像控點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差及X、Y、Z三方向的平均誤差，見表3。由表3可知，經(jīng)空中三角測(cè)量平差后，方案2的平面點(diǎn)位中誤差最小，方案1精度最低，但4種方案平面點(diǎn)位中誤差整體差別不大，精度約為10～11 mm。高程方向方案3精度最高，方案4精度最低，4種方案在高程方向精度差異明顯。

進(jìn)一步地，基于野外檢查點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)與空三加密成果計(jì)算檢查點(diǎn)平面點(diǎn)位精度與高程方向精度，從而評(píng)估最優(yōu)布點(diǎn)方案。檢查點(diǎn)精度計(jì)算公式如式(2)所示，各方案檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表3 各方案像控點(diǎn)精度Table 3 Accuracy of image control points in each schememm

表4 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)Table 4 Precision statistics of checkpoints

式中， σX、σY、 MZ分別為 X、Y 、Z 方向的單位權(quán)中誤差，mm； MS為平面點(diǎn)位中誤差，mm； X、Y 、Z 分別為檢查點(diǎn)3個(gè)方向GPS-RTK測(cè)量坐標(biāo)，mm， X′、Y′、 Z′分別為檢查點(diǎn)3個(gè)方向空三解算坐標(biāo)，mm。

《CH/Z 3003-2010低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》規(guī)定數(shù)字線劃圖(B)類、數(shù)字正射影像圖(B)類制作時(shí)，內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差、高程中誤差不應(yīng)大于表5規(guī)定。

表5 平面點(diǎn)位精度、高程精度規(guī)定Table 5 Precision of plane point and elevation pointm

由表4并結(jié)合表5規(guī)范要求可知，4種方案的平面方向都可滿足1∶500比例尺成圖精度，高程方向可達(dá)1∶2 000比例尺成圖精度。

由2.2節(jié)表2布點(diǎn)方案及表4可知，方案1比方案2少布設(shè)50%的像控點(diǎn)，但空三加密點(diǎn)及成圖精度基本一致。因此在地勢(shì)平坦的平原地區(qū)，可按照基線間隔為10布設(shè)野外像控點(diǎn)，保證精度的同時(shí)可有效節(jié)約成本，提高工作效率，方案1優(yōu)于方案2。方案1和方案3對(duì)比，其像控點(diǎn)數(shù)量基本一致，但方案3通過在研究區(qū)中心區(qū)域添加像控點(diǎn)的方式減小了航帶間隔數(shù)，使像控點(diǎn)分布更加合理，方案3的平面點(diǎn)位精度和高程精度均較方案1有所提高，方案3優(yōu)于方案1。方案3、4的布點(diǎn)方案相同，但方案4未采用航片POS數(shù)據(jù)，其高程精度明顯降低，對(duì)比發(fā)現(xiàn)在無人機(jī)航測(cè)過程中獲取每張航片的高精度POS數(shù)據(jù)可以顯著提高成果高程精度，方案3優(yōu)于方案4。

綜上所述，本文所提布設(shè)方案3精度最優(yōu)，因此針對(duì)平原地區(qū)，可采取基線間隔數(shù)為10、航帶間隔數(shù)為4的像控點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方案。實(shí)驗(yàn)證明該方案可滿足平面1∶500比例尺及高程1∶2 000比例尺測(cè)圖的精度要求，該方案在保證精度的同時(shí)可提高工作效率、降低工作量。

3.2 測(cè)區(qū)DSM、DOM及精度提升措施

根據(jù)2.2節(jié)所述布點(diǎn)方案3，利用Pix4Dmapper軟件解算高精度空三加密成果，經(jīng)特征點(diǎn)匹配可生成三維點(diǎn)云并制作研究區(qū)數(shù)字表面模型DSM，進(jìn)一步聯(lián)合空三加密成果和DSM可生成研究區(qū)的數(shù)字正射影像圖DOM，見圖6。

圖6 研究區(qū)DSM及DOMFig.6 DSM and DOM in the study area

無人機(jī)大比例尺測(cè)圖誤差來源主要是外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量誤差、影像匹配誤差、內(nèi)業(yè)像控點(diǎn)刺點(diǎn)誤差、POS數(shù)據(jù)誤差、飛行誤差及內(nèi)業(yè)立體量測(cè)誤差。為此，提出如下精度提升措施：

(1) 選擇氣象條件較好的時(shí)段進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)保證成圖精度，減弱飛行誤差并提高影像匹配準(zhǔn)確度；航攝完成后，現(xiàn)場(chǎng)檢查飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量。

(2) 采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)，提高像控點(diǎn)測(cè)量精度。

(3) 像控點(diǎn)布設(shè)保證上空開闊，點(diǎn)位標(biāo)志設(shè)置清晰醒目，便于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)識(shí)別。

(4) 飛行前檢定相機(jī)參數(shù)，采用云臺(tái)穩(wěn)固安裝在無人機(jī)上，提高影像拍攝穩(wěn)定性，采用較為全面的畸變參數(shù)可最大限度地提升航測(cè)成果精度。

(5) 無人機(jī)航片后處理軟件眾多，如Context Capture及Pix4Dmapper等，其中空三加密平差算法是各軟件關(guān)鍵部分，應(yīng)選取高精度后處理軟件提高空中三角測(cè)量解算精度。

4 結(jié)論

像控點(diǎn)布設(shè)是無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)方法進(jìn)行分析并結(jié)合研究區(qū)測(cè)圖實(shí)踐，設(shè)計(jì)基于區(qū)域網(wǎng)法布點(diǎn)方案的4種像控點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方案，根據(jù)空三加密成果、野外檢核點(diǎn)及測(cè)圖成果產(chǎn)品，對(duì)比其精度和像控點(diǎn)數(shù)量，所得結(jié)論如下：

(1) 空三加密平差計(jì)算后四種方案的平面點(diǎn)位中誤差接近，精度為10～11 mm；高程方向精度差異明顯，未采用航片高精度POS數(shù)據(jù)的方案4精度最低，說明POS數(shù)據(jù)輔助解算可顯著提升高程方向精度。

(2) 平原地區(qū)，各方案平面精度均達(dá)到1∶500比例尺測(cè)圖要求，高程精度達(dá)到1∶2 000比例尺測(cè)圖要求；精度分析證明基于區(qū)域網(wǎng)法布點(diǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)基線間隔數(shù)為10、航帶間隔數(shù)為4時(shí)布設(shè)方案最佳。

(3) 指出無人機(jī)大比例尺測(cè)圖誤差來源，進(jìn)一步從氣象條件、外業(yè)檢查、像控點(diǎn)控制測(cè)量、影像匹配、相機(jī)檢定及空三解算等方面提出精度提升措施。

本文分析平原地區(qū)基于區(qū)域網(wǎng)法的像控點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化方案，得到滿足規(guī)范要求的最佳方案。該方案有利于減少無人機(jī)航測(cè)野外像控工作量，提高航測(cè)效率，為大比例尺地形圖測(cè)繪提供精度保障，為無人機(jī)航測(cè)多元化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供科學(xué)支撐。