陳天福

（江西核工業(yè)測(cè)繪院集團(tuán)有限公司 江西 南昌 330199）

1 引言

近幾年來(lái)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展，成為獲取高分辨率影像的主要方法，該方法具有成本低、效率高、獲取影像紋理信息豐富等特點(diǎn)，在城市實(shí)景三維建設(shè)、農(nóng)村宅基地確權(quán)、地理國(guó)情調(diào)查、工程建設(shè)等鄰域得到廣泛的應(yīng)用[1?4]。

在水路線(xiàn)狀測(cè)繪工程鄰域，常用測(cè)量方法主要包括RTK 技術(shù)、傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)等。文獻(xiàn)[5]采用傳統(tǒng)的RTK 技術(shù)進(jìn)行水流線(xiàn)路碎部點(diǎn)采集工作，需要利用建立移動(dòng)站與基準(zhǔn)站間信號(hào)通信，測(cè)量成果受通信質(zhì)量影響較大且作業(yè)效率低、工作量大，影響工程進(jìn)度。為了提高作業(yè)效率，采用傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。文獻(xiàn)[6]提出傾斜攝影測(cè)量在河流綜合治理中的應(yīng)用方法，該方法能夠獲取河道周邊實(shí)景三維模型，能夠清楚展現(xiàn)河道周?chē)匦蔚孛残畔?。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]提出無(wú)人機(jī)PPK 技術(shù)支持下的河道測(cè)量方法，該方法利用高精度的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助空中三角測(cè)量，為高精度測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)提高保障。為了獲取帶狀區(qū)域高精度測(cè)繪產(chǎn)品，通常需要采用在測(cè)區(qū)布設(shè)外業(yè)相控點(diǎn)的方法確保測(cè)繪成果的產(chǎn)品精度，但對(duì)于帶狀區(qū)域控制點(diǎn)布設(shè)方案的相關(guān)研究成果較少。

鑒于此，本文提出消費(fèi)型無(wú)人機(jī)在帶狀區(qū)域控制點(diǎn)布設(shè)精度研究。首先，利用消費(fèi)型無(wú)人機(jī)飛馬D200 獲取帶狀區(qū)域的多視影像數(shù)據(jù)，并外業(yè)采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)用于空三處理與成果精度驗(yàn)證；然后，設(shè)計(jì)不同像控點(diǎn)布設(shè)方案，通過(guò)外業(yè)點(diǎn)驗(yàn)證不同像控點(diǎn)布設(shè)方案下空三成果、DOM 和DEM 成果精度；最后，給出適應(yīng)帶狀區(qū)域像控點(diǎn)布設(shè)方案，為相關(guān)工程建設(shè)提供一種思路。

2 消費(fèi)型無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

消費(fèi)型無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的基本原理是利用消費(fèi)型無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以獲取高分辨率多視影像數(shù)據(jù)，將不同視角的多視影像數(shù)據(jù)疊合在一起對(duì)地形成多度重疊區(qū)域，利用影像外方位元素恢復(fù)影像曝光時(shí)刻相機(jī)的空間幾何關(guān)系，結(jié)合地面控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪區(qū)域三維場(chǎng)景的建模。最后，利用外業(yè)控制點(diǎn)驗(yàn)證工程成果精度。消費(fèi)型無(wú)人機(jī)在帶狀區(qū)域像控點(diǎn)布設(shè)方案的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

3 工程實(shí)例

為了驗(yàn)證不同控制點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)攝影獲取多視影像數(shù)據(jù)生成成果精度影響，文中選用工程線(xiàn)路長(zhǎng)約11km，寬度為中心線(xiàn)兩側(cè)各500m，總面積為11km2。整個(gè)測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，高差變化較小。但測(cè)區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方式，不但要增加像控點(diǎn)數(shù)量，而且實(shí)施起來(lái)比較困難。為了提高工程效率，本文利用飛馬V100無(wú)人機(jī)進(jìn)行帶狀區(qū)域像控點(diǎn)布設(shè)方案試驗(yàn)。

3.1 影像數(shù)據(jù)的獲取

為了獲取多視影像數(shù)據(jù)，選用飛馬V100 垂起固定翼攝影測(cè)量平臺(tái)搭載SONY RX1R II 相機(jī)進(jìn)行多視影像數(shù)據(jù)采集工作。為了獲取地面分辨率優(yōu)于0.07m 分辨率的高分辨率遙感影像設(shè)計(jì)飛行為相對(duì)航高540m，航向重疊度80%、旁向重疊度60%，配套的基站進(jìn)行2 個(gè)架次航攝。飛馬V100 無(wú)人機(jī)及航攝參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)源參數(shù)

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)方案

像控點(diǎn)布設(shè)的基本原則為：硬質(zhì)路面采用L 形布設(shè)，大小為長(zhǎng)*寬（70cm*30cm），非硬質(zhì)路面采用十字形，大小為：長(zhǎng)*寬（130cm*30cm）。像控點(diǎn)位置周?chē)h(huán)境空曠，地表起伏小。為驗(yàn)證像控點(diǎn)密度對(duì)多視影像數(shù)據(jù)的成果精度影響，設(shè)計(jì)三套布設(shè)方案，采用GPS RTK 共采集37 個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)布設(shè)方案

（1）布設(shè)方案I：在帶狀區(qū)域周邊布設(shè)像控點(diǎn)，平均1.0km?1.5km 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)，航攝區(qū)域拐點(diǎn)處加設(shè)像控點(diǎn)。圖2 中，采用A1 至A22 共22 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行空三刺點(diǎn)，X1至X15共15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢查。

（2）布設(shè)方案II：圖2中，帶狀航攝區(qū)域在A7、A8點(diǎn)處存在拐點(diǎn)，考慮區(qū)域形狀，選取A1、A2、A7、A8、A11、A12、A15、A17、A21 和A22 共10 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行空三刺點(diǎn)，這10個(gè)點(diǎn)的排布為平均2.5km?3.0km 一對(duì)，其余點(diǎn)進(jìn)行檢查。

（3）布設(shè)方案III：不考慮帶狀區(qū)域形狀，選取A1、A2、A11、A14、A21 和A22 共6 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行空三刺點(diǎn)，平均5.0km?6.0km一對(duì)，其余點(diǎn)進(jìn)行檢查。

3.3 航測(cè)數(shù)據(jù)處理

利用基站數(shù)據(jù)及飛行平臺(tái)獲取POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行PPK 解算，生成多視影像數(shù)據(jù)曝光時(shí)刻對(duì)應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，用于多視影像匹配以及GPS 輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差。首先，PCI軟件的Geomatica Banff 模塊結(jié)合SRTM數(shù)據(jù)進(jìn)行多視影像匹配，獲取連接點(diǎn)坐標(biāo)。然后，利用“Photoscan”軟件的At 模塊進(jìn)行空三影像處理，消除不同立體模型間的接邊誤差，并將整個(gè)測(cè)區(qū)糾正到工程坐標(biāo)系下。最后，利用Smart3D 軟件的多視影像密集匹配方法生成DSM數(shù)據(jù)與DOM 數(shù)據(jù)。通過(guò)試驗(yàn)，本工程采用平均2.5km?3.0km 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)，大大地減少了像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，提高了工作效率。部分成果如圖3所示：

圖3 成果數(shù)據(jù)

3.4 精度分析

為了驗(yàn)證不同像控點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)生成成果精度的影響，文中對(duì)比分析不同布設(shè)方案下空三成果、DOM和DEM的成果精度。

3.4.1 空三成果精度

空三區(qū)域網(wǎng)平差后的檢查點(diǎn)的精度是通過(guò)使用GPS RTK 實(shí)測(cè)的點(diǎn)與對(duì)于立體像對(duì)同名像點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)前方交會(huì)計(jì)算獲取的坐標(biāo)值對(duì)比分析得到，中誤差坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果根據(jù)式（1）求出：

其中：m為檢查點(diǎn)的中誤差；Δi為檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)值與解算值的差；n為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。不同布設(shè)方案的檢查點(diǎn)精度如表2所示。

表2 不同布設(shè)方案的檢查點(diǎn)精度

由表2 可知：不同布設(shè)方案的空三檢查點(diǎn)平面最大較差及中誤差方案Ⅰ最小，但隨著方案Ⅱ、方案Ⅲ像控點(diǎn)的減少，平面中誤差變化不大。不同布設(shè)方案下空三檢查點(diǎn)的高程精度隨著像控點(diǎn)數(shù)量的減少其最大較差依次增大，但高程中誤差方案Ⅰ與方案Ⅱ精度相當(dāng)，都明顯高于方案Ⅲ。三種不同的布設(shè)方案空三檢查點(diǎn)的精度都滿(mǎn)足1∶1000比例尺要求。

3.4.2 DOM精度對(duì)比

DOM 的精度是通過(guò)野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與DOM 上提取的檢查點(diǎn)的坐標(biāo)差值，按式（2）確定：

式中：Ms為平面中誤差，ΔPi為i點(diǎn)的平面中誤差，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。為了驗(yàn)證不同布設(shè)方案的DOM 精度，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)均勻分布地采集了100 個(gè)檢查點(diǎn)，其精度如表3所示。

表3 不同布設(shè)方案的DOM精度

由表3可知：不同布設(shè)方案的DOM精度相當(dāng)，雖然方案Ⅰ的精度最高，但隨著方案Ⅱ、方案Ⅲ像控點(diǎn)數(shù)量的減少精度影響不大，這是由于在空三自由網(wǎng)時(shí)通過(guò)模型間足夠多的連接點(diǎn)確保區(qū)域誤差分布一致，利用少量控制點(diǎn)能夠?qū)⑵皆匦尉植空`差控制在規(guī)范指標(biāo)要求內(nèi)。

3.4.3 DEM精度對(duì)比

DEM 的精度是通過(guò)野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的高程，然后利用ArcGIS 軟件提取對(duì)應(yīng)檢查點(diǎn)在DEM 上的高程值，實(shí)測(cè)高程值與提取高程值的差值，按式（3）確定：

式中：MH為高程中誤差，Δhi為點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與DEM 對(duì)應(yīng)該點(diǎn)高程值的差值，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。為了驗(yàn)證不同布設(shè)方案的DEM 精度，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)均勻分布地采集了220個(gè)檢查點(diǎn)，其精度如表4所示：

表4 不同布設(shè)方案的DEM精度

由表4可知：方案Ⅰ與方案Ⅱ的DEM 精度相當(dāng)，明顯高于方案Ⅲ的精度。在方案Ⅰ（平均1.0 km ?1.5 km 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)）的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大像控點(diǎn)布設(shè)距離，使其平均2.5 km ?3.0 km（方案Ⅱ）布設(shè)一對(duì)，對(duì)DEM 的精度影響較小。但像控點(diǎn)的布設(shè)距離也不宜過(guò)大，方案Ⅲ是平均5.0 km ?6.0 km 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)，DEM 精度已經(jīng)明顯降低。方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ滿(mǎn)足規(guī)范中規(guī)定的1:1000 二級(jí)DEM 精度指標(biāo)，但方案Ⅲ已接近限差。

通過(guò)上述DOM、DEM 的精度對(duì)比分析可知，在帶狀平原地區(qū)，方案Ⅱ可有效地滿(mǎn)足其1∶1000 各項(xiàng)精度指標(biāo)，且DEM精度較優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目采用飛馬V100 垂起無(wú)人機(jī)，探討不同布設(shè)方案情況下生成DOM、DSM 的成果精度。試驗(yàn)結(jié)論如下：選用2.5 km ?3.0 km 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)，在拐角處加密像控點(diǎn)的布設(shè)，其成果滿(mǎn)足精度要求，且節(jié)省外業(yè)工作量及內(nèi)業(yè)空三加密工作，可供其他工程借鑒。