基于無人機(jī)航測立體像對采集大比例尺地形圖的數(shù)學(xué)精度影響因素分析

胡震天，周曉琴

(南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧　530023)

1　引　言

由于地理數(shù)據(jù)變更頻繁，大量建設(shè)項(xiàng)目都需要采集最新的數(shù)據(jù)，而測繪工作技術(shù)性強(qiáng)，有嚴(yán)格的要求和生產(chǎn)規(guī)范，因此造成地理數(shù)據(jù)采集的周期長，成本高。拓展測繪手段，提高測繪工作效率，降低數(shù)據(jù)成本，成為亟待解決的問題。

目前，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)開始被廣泛使用，利用無人機(jī)獲取影像進(jìn)行地理信息采集，將大幅度降低航拍作業(yè)的條件，主要表現(xiàn)為起飛降落靈活，方便快捷。另外，無人機(jī)飛行高度低，采用相對廉價(jià)的數(shù)碼相機(jī)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，因此能大幅度降低作業(yè)的成本，但由于無人機(jī)的飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，采用的相機(jī)畸變較大等問題，如何保證測繪產(chǎn)品的質(zhì)量，需要進(jìn)行研究和實(shí)踐。

利用無人機(jī)航測生產(chǎn)地形圖建議采用三維模型采集和立體像對采集相結(jié)合的方式，立體像對采集還是一個(gè)必要和有效的采集手段，本文主要研究基于無人機(jī)航測立體像對采集生產(chǎn)大比例尺地形圖，研究目的是通過分析影響因素，確定因素對地形圖成圖的數(shù)學(xué)精度的影響程度，根據(jù)研究結(jié)果，在生產(chǎn)過程中規(guī)范作業(yè)，進(jìn)行質(zhì)量控制，從而提高生產(chǎn)效率，提升經(jīng)濟(jì)效益。

2　影響因素的選擇與測試思路

影響航測成圖精度的因素主要有：相機(jī)選擇、相機(jī)檢校與影像畸變改正、地面分辨率、重疊度、像控分布數(shù)量與精度、平差方式、采集方式等。無人機(jī)航測中相機(jī)選擇應(yīng)主要考慮無人機(jī)的載荷和設(shè)計(jì)，目前主流為微單相機(jī)，必須使用定焦鏡頭。由于使用的相機(jī)一般為非量測相機(jī)，建議航拍前應(yīng)進(jìn)行相機(jī)檢校，空三前進(jìn)行原始影像的畸變改正[1]。重疊度太大，相鄰像對的基高比小，高程精度低，像對數(shù)量多采集效率低；重疊度太小，相鄰模型間會存在漏洞。作者經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)踐已確定航向重疊度和旁向重疊度的經(jīng)驗(yàn)值。因此，本文主要測試地面分辨率、像控密度、空三方式對成圖精度的影響。

測試地面分辨率對成圖精度影響的思路：使用不同分辨率的影像，添加相同的像控，用同樣的空三軟件來試驗(yàn)地面分辨率的影響大小。

測試像控密度對成圖精度影響的思路：在試驗(yàn)中，使用同一架次的影像，用同樣的空三軟件，通過添加不同密度的像控來測試像控密度這一因素的影響程度。

測試空三方式對成圖精度影響的思路：使用同一架次的影像，添加相同的像控，用不同的空三軟件分別做出空三來試驗(yàn)此因素的影響方式和影響程度。

3　測試技術(shù)方案

3.1　測試區(qū)域選擇

此次測試選取了南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)約2 km2矩形區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)。西南角坐標(biāo)為北緯22.77°，東經(jīng)108.15°，東北角坐標(biāo)為北緯22.79°，東經(jīng)108.13°，區(qū)域?yàn)榍鹆甑匦?，有建筑區(qū)、山丘、水域、農(nóng)田等地類。

3.2　硬軟件選擇

此次進(jìn)行航飛的飛機(jī)為北京精航科技有限公司生產(chǎn)的型號為YS-21(T-EZ-F)的電動(dòng)固定翼無人機(jī)；相機(jī)型號為SONY ILCE5100，鏡頭焦距為 16 mm。

像控和檢查點(diǎn)測量使用儀器為海星達(dá)iRTK2經(jīng)典版，利用南寧市勘察測繪地理信息院GPS連續(xù)運(yùn)行參考站NNCORS系統(tǒng)進(jìn)行測量，并測設(shè)了部分地面控制標(biāo)志。

空三采用INPHO軟件，INPHO軟件有兩個(gè)不同的模塊，一是用于無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的UAMaster(以下簡稱小模塊)，二是用于處理傳統(tǒng)航攝數(shù)據(jù)的空三模塊ApplicationMaster(以下簡稱大模塊)，立體測圖采用適普VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。

相機(jī)檢校和畸變改正采用自行研制的程序進(jìn)行。

3.3　影響因素的設(shè)定

(1)地面分辨率的設(shè)定

因主要針對大比例尺地形圖測量，根據(jù)精度和效率的要求，選擇了優(yōu)于 0.2 m的4個(gè)不同的地面分辨率來進(jìn)行測試，分別為 0.05 m、 0.08 m、 0.12 m、 0.16 m。測試區(qū)域地面平均高程約為 80 m，航飛根據(jù)影像地面分辨率的不同，共分4個(gè)架次，航飛設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：

航飛設(shè)計(jì)參數(shù)　　　　　　　　　　　表1

(2)像控點(diǎn)密度的設(shè)定

像控點(diǎn)密度分5級，逐級加密，均勻分布，每級均保證區(qū)域角點(diǎn)有像控。像控點(diǎn)全部為平高點(diǎn)，共測量121處，246個(gè)點(diǎn)位，其中35處為人工布設(shè)的地面控制點(diǎn)，像控密度分5級，分別用不同顏色表示，分布如圖1所示。檢核點(diǎn)主要是高程檢核點(diǎn)，選擇在硬化路面且周圍高程變化不大的地方，共測量檢核點(diǎn)269個(gè)。

第1級為黃色，共6個(gè)點(diǎn)；

第2級在第1級的基礎(chǔ)上添加4個(gè)綠色的像控點(diǎn)，共10個(gè)；

第3級在第2級的基礎(chǔ)上添加4個(gè)淺藍(lán)色的像控點(diǎn)，共14個(gè)；

第4級在第3級的基礎(chǔ)上添加14個(gè)深藍(lán)色的像控點(diǎn)，共28個(gè)；

第5級在第4級的基礎(chǔ)上添加18個(gè)紅色的像控點(diǎn)，共46個(gè)。

(3)空三軟件的確定

目前可用來處理無人機(jī)數(shù)據(jù)的空三軟件較多，測試選用INPHO軟件，本文僅對INPHO的兩個(gè)處理模塊進(jìn)行比較。

為方便比較，不同分辨率、不同像控個(gè)數(shù)、不同空三模塊分別進(jìn)行空三解算，單獨(dú)命名，命名規(guī)則為項(xiàng)目代碼+分辨率+像控級數(shù)+空三模塊代碼，例如CSKC0501-B，CSKC為測試項(xiàng)目代碼，05表示地面分辨率為 0.05 m，01表示像控添加的為第一級像控，各級像控加入的點(diǎn)數(shù)和分布如圖1所示，B表示INPHO中大模塊做的空三，S則是小模塊做的空三。

圖1　像控分布圖

3.4　測試技術(shù)流程

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域的地形特征，布設(shè)地面控制點(diǎn)后進(jìn)行航飛，航飛按不同地面分辨率進(jìn)行幾個(gè)架次的航飛，航飛的同時(shí)進(jìn)行像控點(diǎn)的測量。航飛前相機(jī)需要進(jìn)行檢校，航飛得到的影像要進(jìn)行畸變糾正。用得到的不同分辨率的糾正后的影像數(shù)據(jù)和像控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，將不同分辨率的影像通過加不同密度的像控，分別用INPHO的大小模塊進(jìn)行平差。在內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三解算的過程中，外業(yè)可進(jìn)行檢核數(shù)據(jù)的測量工作。將空三導(dǎo)入適普對立體像對進(jìn)行檢核點(diǎn)采集。對照外業(yè)測量的高程點(diǎn)進(jìn)行高程檢核采集，使用控制點(diǎn)進(jìn)行平面檢核采集。將采集數(shù)據(jù)與外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)分析。按GB/T 24356-2009規(guī)范中4.3.5檢測數(shù)據(jù)的處理中平面和高程中誤差計(jì)算公式計(jì)算中誤差。測試流程如圖2所示：

圖2　測試流程圖

4　測試結(jié)果分析

4.1　地面分辨率的不同對精度的影響

此次試驗(yàn)共分4個(gè)不同的地面分辨率對同一區(qū)域進(jìn)行航飛，分別為 0.05 m、0.08 m、0.12 m和 0.16 m。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示：

不同分辨率情況下的誤差統(tǒng)計(jì)　　　　　　　表2

以大模塊所做空三為研究對象，統(tǒng)計(jì)得出不同分辨率下，檢核點(diǎn)可達(dá)精度如表3所示：

不同分辨率下的檢核點(diǎn)可達(dá)精度統(tǒng)計(jì)　　　　　表3

表3中只統(tǒng)計(jì)了1級、2級、3級像控下，不同地面分辨率的大小模塊平面中誤差和高程中誤差均值。

通過分析可以得出以下結(jié)論：

(1)平面精度與地面分辨率成正比，地面分辨率越高，成圖平面精度也越高；

(2)無人機(jī)航測立體采集測圖的平面精度約為3個(gè)像素；

(3)分辨率低于0.08 m時(shí)，高程精度與地面分辨率成正比，地面分辨率為 0.05 m與 0.08 m的高程精度相當(dāng)，也就是說，地面分辨率不宜太高，地面分辨率越高，單個(gè)模型覆蓋面積越小，模型數(shù)量越多，模型接邊誤差會變大，從效率和精度考慮，建議利用無人機(jī)航拍立體模型采集生產(chǎn)大比例尺地形圖時(shí)，地面分辨率不高于 0.08 m。

4.2　像控密度的影響

采集得出誤差如表4所示：

不同像控密度下的誤差統(tǒng)計(jì)　　　　　　　　表4

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得：

(1)像控點(diǎn)密度對平面精度影響不明顯；

(2)像控點(diǎn)越密，高程精度越好。

4.3　不同空三模塊的影響

此次試驗(yàn)是用INPHO軟件的大小模塊分別對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出不同的空三，分別采集得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：

不同空三模塊的采集誤差統(tǒng)計(jì)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表5

由以上表5可知：

(1)大模塊比小模塊空三后成圖精度高，超限點(diǎn)數(shù)少。

(2)由于大模塊直接處理無人機(jī)航拍影像時(shí)提取連接點(diǎn)難以通過，建議先用小模塊空三，將小模塊空三后的外方位元素作為大模塊空三的初始值，再用大模塊空三處理。

5　結(jié)　論

此次試驗(yàn)是針對無人機(jī)航拍利用立體像對采集方式生產(chǎn)數(shù)字線劃圖，通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析地面分辨率、像控密度、INPHO軟件的大小模塊所做空三等幾個(gè)因素對成圖精度的影響。此次測試采用實(shí)地采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，基本實(shí)現(xiàn)測試的目的，達(dá)到了測試的效果。

通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

像控點(diǎn)對高程精度影響明顯，像控越密，高程精度越好，但對平面精度影響不明顯，測區(qū)像控分布均勻且角點(diǎn)處均有像控的情況下，平面精度并不隨像控密度的增大而增加；運(yùn)用INPHO軟件的大小模塊所做出的空三，在原始影像、像控點(diǎn)一樣的情況下，大模塊所做空三的成圖精度要高于小模塊所做的空三；區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時(shí)，兩條航帶之間必須有像控點(diǎn)，同條航線上建議每隔6張～8張影像布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的密度約為每平方千米4個(gè)～8個(gè)點(diǎn)。

從精度和效率兩方面綜合，用無人機(jī)航測立體成圖生產(chǎn)大比例尺地形圖若用INPHO軟件做空三，建議使用大模塊來平差，且成圖比例尺與各技術(shù)參數(shù)的關(guān)系如表6所示。

無人機(jī)航測立體成圖生產(chǎn)大比例尺地形圖的技術(shù)參數(shù)　　表6

以上的研究成果對用無人機(jī)航空攝影方式生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)流程，技術(shù)設(shè)計(jì)，質(zhì)量控制等方面提供了依據(jù)，具有一定的生產(chǎn)應(yīng)用和推廣價(jià)值。

此次測試雖然基本達(dá)到了測試的預(yù)期效果，但由于相關(guān)因素太多，而在做單一因素試驗(yàn)時(shí)，其他因素也會有影響，如天氣的影響、個(gè)人采集的誤差等。試驗(yàn)區(qū)域的地形較為平坦，只能代表一種地形，具有一定的局限性，對于丘陵地形、山地地形不具有說明性；試驗(yàn)所用的空三軟件為INPHO，采集所用軟件為適普IGS，有一定的局限性。若要進(jìn)一步研究，可從地形、無人機(jī)的機(jī)型、相機(jī)鏡頭、空三及采集軟件等因素做進(jìn)一步試驗(yàn)。