消費型無人機在帶狀區域控制點布設精度研究

陳天福

（江西核工業測繪院集團有限公司 江西 南昌 330199）

1 引言

近幾年來，無人機攝影測量技術快速發展，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，在城市實景三維建設、農村宅基地確權、地理國情調查、工程建設等鄰域得到廣泛的應用[1?4]。

在水路線狀測繪工程鄰域，常用測量方法主要包括RTK 技術、傳統無人機攝影測量技術等。文獻[5]采用傳統的RTK 技術進行水流線路碎部點采集工作，需要利用建立移動站與基準站間信號通信，測量成果受通信質量影響較大且作業效率低、工作量大，影響工程進度。為了提高作業效率，采用傳統的攝影測量方式進行數據采集工作。文獻[6]提出傾斜攝影測量在河流綜合治理中的應用方法，該方法能夠獲取河道周邊實景三維模型，能夠清楚展現河道周圍地形地貌信息。文獻[7]和文獻[8]提出無人機PPK 技術支持下的河道測量方法，該方法利用高精度的POS 數據進行輔助空中三角測量，為高精度測繪產品的生產提高保障。為了獲取帶狀區域高精度測繪產品，通常需要采用在測區布設外業相控點的方法確保測繪成果的產品精度，但對于帶狀區域控制點布設方案的相關研究成果較少。

鑒于此，本文提出消費型無人機在帶狀區域控制點布設精度研究。首先，利用消費型無人機飛馬D200 獲取帶狀區域的多視影像數據，并外業采集控制點數據用于空三處理與成果精度驗證；然后，設計不同像控點布設方案，通過外業點驗證不同像控點布設方案下空三成果、DOM 和DEM 成果精度；最后，給出適應帶狀區域像控點布設方案，為相關工程建設提供一種思路。

2 消費型無人機攝影測量關鍵技術

消費型無人機攝影測量的基本原理是利用消費型無人機搭載多鏡頭相機進行數據采集，以獲取高分辨率多視影像數據，將不同視角的多視影像數據疊合在一起對地形成多度重疊區域，利用影像外方位元素恢復影像曝光時刻相機的空間幾何關系，結合地面控制點，實現測繪區域三維場景的建模。最后，利用外業控制點驗證工程成果精度。消費型無人機在帶狀區域像控點布設方案的數據處理流程如圖1所示。

圖1 數據處理流程

3 工程實例

為了驗證不同控制點布設方案對攝影獲取多視影像數據生成成果精度影響，文中選用工程線路長約11km，寬度為中心線兩側各500m，總面積為11km2。整個測區地勢平坦，高差變化較小。但測區長度較長，采用傳統的攝影測量布點方式，不但要增加像控點數量，而且實施起來比較困難。為了提高工程效率，本文利用飛馬V100無人機進行帶狀區域像控點布設方案試驗。

3.1 影像數據的獲取

為了獲取多視影像數據，選用飛馬V100 垂起固定翼攝影測量平臺搭載SONY RX1R II 相機進行多視影像數據采集工作。為了獲取地面分辨率優于0.07m 分辨率的高分辨率遙感影像設計飛行為相對航高540m，航向重疊度80%、旁向重疊度60%，配套的基站進行2 個架次航攝。飛馬V100 無人機及航攝參數如表1所示。

表1 數據源參數

3.2 像控點布設方案

像控點布設的基本原則為：硬質路面采用L 形布設，大小為長*寬（70cm*30cm），非硬質路面采用十字形，大小為：長*寬（130cm*30cm）。像控點位置周圍環境空曠，地表起伏小。為驗證像控點密度對多視影像數據的成果精度影響，設計三套布設方案，采用GPS RTK 共采集37 個控制點，控制點位置如圖2所示。

圖2 控制點布設方案

（1）布設方案I：在帶狀區域周邊布設像控點，平均1.0km?1.5km 布設一對像控點，航攝區域拐點處加設像控點。圖2 中，采用A1 至A22 共22 個點進行空三刺點，X1至X15共15個點進行檢查。

（2）布設方案II：圖2中，帶狀航攝區域在A7、A8點處存在拐點，考慮區域形狀，選取A1、A2、A7、A8、A11、A12、A15、A17、A21 和A22 共10 個點進行空三刺點，這10個點的排布為平均2.5km?3.0km 一對，其余點進行檢查。

（3）布設方案III：不考慮帶狀區域形狀，選取A1、A2、A11、A14、A21 和A22 共6 個點進行空三刺點，平均5.0km?6.0km一對，其余點進行檢查。

3.3 航測數據處理

利用基站數據及飛行平臺獲取POS 數據進行PPK 解算，生成多視影像數據曝光時刻對應的姿態數據，用于多視影像匹配以及GPS 輔助光束法區域網平差。首先，PCI軟件的Geomatica Banff 模塊結合SRTM數據進行多視影像匹配，獲取連接點坐標。然后，利用“Photoscan”軟件的At 模塊進行空三影像處理，消除不同立體模型間的接邊誤差，并將整個測區糾正到工程坐標系下。最后，利用Smart3D 軟件的多視影像密集匹配方法生成DSM數據與DOM 數據。通過試驗，本工程采用平均2.5km?3.0km 布設一對像控點，大大地減少了像控點的布設數量，提高了工作效率。部分成果如圖3所示：

圖3 成果數據

3.4 精度分析

為了驗證不同像控點布設方案對生成成果精度的影響，文中對比分析不同布設方案下空三成果、DOM和DEM的成果精度。

3.4.1 空三成果精度

空三區域網平差后的檢查點的精度是通過使用GPS RTK 實測的點與對于立體像對同名像點坐標經過前方交會計算獲取的坐標值對比分析得到，中誤差坐標統計結果根據式（1）求出：

其中：m為檢查點的中誤差；Δi為檢查點實測值與解算值的差；n為檢查點的個數。不同布設方案的檢查點精度如表2所示。

表2 不同布設方案的檢查點精度

由表2 可知：不同布設方案的空三檢查點平面最大較差及中誤差方案Ⅰ最小，但隨著方案Ⅱ、方案Ⅲ像控點的減少，平面中誤差變化不大。不同布設方案下空三檢查點的高程精度隨著像控點數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，都明顯高于方案Ⅲ。三種不同的布設方案空三檢查點的精度都滿足1∶1000比例尺要求。

3.4.2 DOM精度對比

DOM 的精度是通過野外實測檢查點與DOM 上提取的檢查點的坐標差值，按式（2）確定：

式中：Ms為平面中誤差，ΔPi為i點的平面中誤差，n為檢查點個數。為了驗證不同布設方案的DOM 精度，在試驗區內均勻分布地采集了100 個檢查點，其精度如表3所示。

表3 不同布設方案的DOM精度

由表3可知：不同布設方案的DOM精度相當，雖然方案Ⅰ的精度最高，但隨著方案Ⅱ、方案Ⅲ像控點數量的減少精度影響不大，這是由于在空三自由網時通過模型間足夠多的連接點確保區域誤差分布一致，利用少量控制點能夠將平原地形局部誤差控制在規范指標要求內。

3.4.3 DEM精度對比

DEM 的精度是通過野外實測檢查點的高程，然后利用ArcGIS 軟件提取對應檢查點在DEM 上的高程值，實測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為點的實測值與DEM 對應該點高程值的差值，n為檢查點個數。為了驗證不同布設方案的DEM 精度，在試驗區內均勻分布地采集了220個檢查點，其精度如表4所示：

表4 不同布設方案的DEM精度

由表4可知：方案Ⅰ與方案Ⅱ的DEM 精度相當，明顯高于方案Ⅲ的精度。在方案Ⅰ（平均1.0 km ?1.5 km 布設一對像控點）的基礎上適當增大像控點布設距離，使其平均2.5 km ?3.0 km（方案Ⅱ）布設一對，對DEM 的精度影響較小。但像控點的布設距離也不宜過大，方案Ⅲ是平均5.0 km ?6.0 km 布設一對像控點，DEM 精度已經明顯降低。方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ滿足規范中規定的1:1000 二級DEM 精度指標，但方案Ⅲ已接近限差。

通過上述DOM、DEM 的精度對比分析可知，在帶狀平原地區，方案Ⅱ可有效地滿足其1∶1000 各項精度指標，且DEM精度較優。

4 結束語

本項目采用飛馬V100 垂起無人機，探討不同布設方案情況下生成DOM、DSM 的成果精度。試驗結論如下：選用2.5 km ?3.0 km 布設一對像控點，在拐角處加密像控點的布設，其成果滿足精度要求，且節省外業工作量及內業空三加密工作，可供其他工程借鑒。