何 磊,李金忠，王旭東

(1.青海煤炭地質局物探測量隊，青海 西寧 810001； 2.青海省煤炭地質勘查院，青海 西寧 810001)

無人機測繪在特殊地區(qū)遙感影像獲取和數據快速處理成圖有著極其重要的現實意義，在國民經濟建設中發(fā)揮著重要作用[1-3]。在低空無人機攝影測量作業(yè)中，像控點布設及數據處理是正射影像制作的重要環(huán)節(jié)，關于像控點布設與正射影像結果精度的研究諸多，羅東山等[4]研究了像控點數量由少到多變化、像控點布設位置變化兩種情況下空三精度的變化；李萬能等[2]在基于傳統(tǒng)像控點布設的研究中，結合野外測量干擾因素，提出按傳統(tǒng)攝影測量規(guī)范布設和測量的情況下會增加工作難度；吳海兵等[5]提出無人機航測現狀中的測量規(guī)范和像控點布設的要求不明確、缺乏統(tǒng)一的規(guī)范。所以，在保證測量精度的前提下，合理安排像控點布設數量，可以減少野外工作量。本文以攝影測量加密原理為基礎，從控制點的角度出發(fā)，通過對5種無人機控制點布設方案進行空三精度對比實驗，從而選取一種適合小區(qū)域、影像幅面小的無人機航測最優(yōu)控制點布設方案，對探究無人機攝影測量成圖精度及4D產品的生產有一定的參考價值。

1 外業(yè)航測數據采集

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部，地處湟水及其支流南川河、北川河交匯處，湟水中游河谷盆地。地勢西南高、東北低，四周群山懷抱，平均海拔約2 300 m。測區(qū)面積約1 km2，東西走向約1.1 km，南北走向約0.9 km，基本地形為西高東低地勢緩和，無高大建筑，適合無人機航測數據的獲取并開展相關研究。

1.2 無人機航空攝影

依據國家標準CH/Z 3005—2010《低空數字航空攝影規(guī)范》[6]要求，航向重疊度一般應為60%～80%，最小不應小于53%；旁向重疊度一般應為60%。本研究將航向重疊率設置為80%，旁向重疊率設置為70%[7]。無人機航測共5個架次，27條航帶，飛行時間約70 min，拍攝照片1 503張。飛行航攝區(qū)域包含了整個測區(qū)，無漏測補測情況發(fā)生。

2 像控點布設方案及空三處理

2.1 無人機航測像控點布設方案

根據GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》的精度[8]要求，本次研究結合研究區(qū)實際情況，按照像控點從少到多均勻布設的思路進行設計，對不同像控點的方案使用同樣的軟件和方法進行處理，探討不同數量的像控點布設方案對空三加密后圖像點位精度的影響。像控點選擇全野外布點方案，分別以無像控點、3個像控點、5個像控點、7個像控點和10個像控點5種選點方案進行布設。通過實地踏勘，選擇41個清晰可辨的地物特征點作為檢測點，通過GPSRTK測量41個檢測點位平面坐標及高程，將其GPSRTK測量數據作為真值，用于數據對比。

2.2 基于Pix4D的空三處理

本次實驗的空三處理采用瑞士Pix4D公司研發(fā)的Pix4D mapper軟件，該軟件可應用于無人機采集數據、航拍、測量等流程，為專業(yè)進行無人機影像后處理的軟件[9]?；赑ix4D的空三處理步驟：

(1)野外航拍完成后對無人機拍攝的圖像進行拼接，將航測所得測區(qū)航片導入Pix4D mapper軟件，同時根據不同控制點布設方案導入相應數量的像控點數據，進行圖像拼接，拼接結束后將明顯變形的航片刪除并重新拼接。

(2)在拼接過程中需對圖像處理參數進行設置，結合測區(qū)實際，東坐標、北坐標精度限制為0.1 m、輸出坐標系為獨立坐標系、中央子午線精度設置為102°。根據布設方案所選取的控制點進行航片刺點后進行圖像處理。

(3)為了提高空三精度，在處理時需對圖像進行空三加密處理，基于獲取的POS數據完成空三加密后重新匹配優(yōu)化(圖1)，并生成點位精度質量報告。

圖1 空三加密過程Fig.1 Process of aerial triangulation

3 空三精度分析

中誤差是反映地形圖數學精度的一個重要指標[10]。本研究選取的41個檢測點作為精度評價的基礎數據，以中誤差(包括點位平面中誤差和點位高程中誤差)作為精度評價的指標，GPS測得的點位坐標作為真值。中誤差計算公式：

式中：Δ為量的真誤差，[]為求和符號，n為觀測值個數，m為中誤差。

以無像控點方案作為初始對照數據，與不同像控點布設方案下空三加密后的點位精度進行對比(表1～表5),不同像控點布設方案下的精度點位誤差數據見圖2和圖3。

表1 無像控點平面數據Tab.1 Plane data of no-image control points

表2 3像控點平面數據Tab.2 Plane data of 3-image control point

表3 5像控點平面數據Tab.3 Plane data of 5-image control point

表4 7像控點平面數據Tab.4 Plane data of 7-image control point

表5 10像控點平面數據Tab.5 Plane data of 10-image control point

圖3 不同像控點布設方案下的點位高程誤差柱狀圖Fig.3 Histogram of point elevation error under the different layout schemes of image control points

根據GPS測量的坐標真值與5種布設方案的檢查點的坐標值計算得到坐標變化量，利用上述公式計算出5種方案的中誤差，得出不同像控點布設方案下的平面坐標中誤差和高程中誤差。

表6 不同像控點布設方案的中誤差計算成果表Tab.6 Mid-error calculation of different layout schemes of image control points

根據GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》[8],1∶1 000比例尺地形圖平面坐標限差為0.6 m，高程限差為0.2 m，結合上述誤差柱狀圖和中誤差計算可得,當無像控點時，特征點平面精度較低；添加3個像控點后，精度明顯提升，點位中誤差為m3=0.067 2 m，高程中誤差h3=0.129 3 m；當布設5個像控點時，達到本次實驗五種方案的最高精度，中誤差為m5=0.050 7 m，高程中誤差h5=0.107 4 m；當布設7個像控點時，精度下降，點位中誤差為m7=0.074 8 m，高程中誤差h7=0.135 7m。當布設10各像控點時，空三精度繼續(xù)下降。

4 討論與結論

無人機影像處理的精度取決于空三解算精度，當像控點較多時，軟件的數據處理量較大，當在測區(qū)邊緣地帶布設4個像控點，有利于保證區(qū)域內部精度[11]。像控點個數減少后，既減少了外業(yè)工作量，又縮短了內業(yè)數據處理的時間，提高了工作效率[12]。本文通過41個檢查點平面和高程中誤差計算可知，當像控點個數為5時，像控點均勻分布在研究區(qū)內，空三精度達到最高，平面中誤差為m5=0.050 7 m，高程中誤差h5=0.107 4 m。當像控點增多時，在空三解算時，刺點精度隨之下降，導致空三精度下降[13]。由于本次實驗是在一定的試驗條件下進行的，實驗的普遍性有待進一步驗證。

在小地區(qū)低空航攝測量中，像控點數量與空三精度的關聯度不是很高，在1 km2范圍內5個像控點均勻布設，可滿足無人機航測大比例尺測圖精度。