提高無人機(jī)航測(cè)空三加密精度的方法

黃文鈺

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大量的項(xiàng)目生產(chǎn)，如何快速有效處理海量無人機(jī)數(shù)據(jù)，保證航測(cè)成圖的精度，是航測(cè)發(fā)展面臨的首要問題。

空三(空中三角測(cè)量)加密，指利用少量控制點(diǎn)的像方和物方坐標(biāo)，解求出未知點(diǎn)的坐標(biāo)，使得每個(gè)模型中的已知點(diǎn)都增加4個(gè)以上，然后利用這些已知點(diǎn)解求所有影像的外方位元素?？杖用芫炔粔?，會(huì)導(dǎo)致航測(cè)外業(yè)的像控點(diǎn)量測(cè)甚至航飛環(huán)節(jié)的返工[1]，并引起航測(cè)內(nèi)業(yè)后續(xù)工序無法開展[2-3]。

無人機(jī)影像與傳統(tǒng)航攝影像相比，具有成本低廉、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用到地形圖繪制和三維建模等項(xiàng)目。但是無人機(jī)影像也具有明顯的缺點(diǎn)：① 姿態(tài)穩(wěn)定性差；② 影像畸變大；③ 基高比小、模型切換頻繁，高程精度低。目前市場(chǎng)上還沒有無人機(jī)空三加密的軟件能完全解決這些問題，精度很難滿足傳統(tǒng)航測(cè)規(guī)范要求。

為便于說明問題，選擇具有代表性的“貝殼梁風(fēng)電場(chǎng)無人機(jī)航測(cè)項(xiàng)目”為對(duì)象進(jìn)行分析。使用傳統(tǒng)的空三加密辦法，基本定向點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 貝殼梁風(fēng)電場(chǎng)無人機(jī)航測(cè)1∶2 000空三加密精度統(tǒng)計(jì)表(傳統(tǒng)空三方法)

根據(jù)GB 23236-2009《數(shù)字航空攝影測(cè)量 空中三角測(cè)量規(guī)范》的要求[4]，此項(xiàng)目為1∶2 000丘陵地形圖測(cè)圖，基本定向點(diǎn)殘差最大限值為平面位置中誤差0.6 m，高程位置中誤差0.26 m。

而以上統(tǒng)計(jì)表明，該風(fēng)電場(chǎng)基本定向點(diǎn)的中誤差不能滿足規(guī)范的精度要求，尤其是高程中誤差較大，33%的點(diǎn)高程中誤差不滿足規(guī)范要求。

對(duì)其他幾個(gè)類似的無人機(jī)航測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了空三加密的精度統(tǒng)計(jì)，得到表2。

表2 無人機(jī)航測(cè)1∶2000空三加密精度統(tǒng)計(jì)表(傳統(tǒng)空三方法)

對(duì)上述的幾個(gè)無人機(jī)航測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了空三加密的精度統(tǒng)計(jì)分析，得到圖1 。

圖1 無人機(jī)航測(cè)1∶2 000空三加密精度統(tǒng)計(jì)圖

圖1表明這些項(xiàng)目的基本定向點(diǎn)的平面位置和高程中誤差都與規(guī)范要求存在一定差距。

1 改進(jìn)方法

圖2 無人機(jī)航測(cè)空三加密的主要流程圖

本文從無人機(jī)航測(cè)空三加密的流程入手進(jìn)行分析，尋找技術(shù)改進(jìn)方法。傳統(tǒng)的無人機(jī)空三加密流程如圖2所示。

由于無人機(jī)影像一般是由非量測(cè)相機(jī)獲取的，必須經(jīng)過畸變差校正后才能進(jìn)行空三加密，這一環(huán)節(jié)需要嚴(yán)密的相機(jī)檢校參數(shù)，否則嚴(yán)重影響影像匹配的精度[5]。而自動(dòng)匹配與光束法平差環(huán)節(jié)受軟件性能制約，如果有匹配算法不合適以及與平差參數(shù)不合理的情況，導(dǎo)致空三加密自動(dòng)化程度過低，需要大量人工干預(yù)，會(huì)降低空三加密的效率和精度，加大內(nèi)外業(yè)工作量，甚至導(dǎo)致空三失敗[6]。

綜上本文針對(duì)以上2個(gè)問題進(jìn)行研究，改進(jìn)空三加密的方法。

1.1 優(yōu)化相機(jī)檢校方法，得出準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)

現(xiàn)階段在無人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)生產(chǎn)單位使用的都是非量測(cè)相機(jī)。為了達(dá)到較好的航測(cè)精度，就必須對(duì)使用的非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行檢校，而且考慮到非量測(cè)相機(jī)的畸變差參數(shù)的不穩(wěn)定性，就必須隔段時(shí)間就對(duì)非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行檢校[7]。這樣，簡單快捷的相機(jī)標(biāo)定方法及軟件就顯得尤為重要和迫切，通過以下3種方法的比較來確定相機(jī)檢校的實(shí)施方案。

1.1.1 相機(jī)自檢校

自檢校方法是利用定焦相機(jī)的鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)不隨主距變化而變化的特點(diǎn)，通過預(yù)檢校獲取內(nèi)方位元素的變化規(guī)律，以此來減少檢校未知數(shù)的個(gè)數(shù)，達(dá)到簡化自檢校模型的目的[8]。在不需要建立檢校場(chǎng)的情況下，只利用目標(biāo)周圍的影像和影像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，此種方法造價(jià)低，操作簡單，僅依靠一些影像和軟件即可完成，但經(jīng)過項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此種方法的缺點(diǎn)是穩(wěn)健性較差，對(duì)空三加密精度的提高有限，適用于相機(jī)參數(shù)本身比較準(zhǔn)確的影像，而對(duì)相機(jī)參數(shù)已發(fā)生較大變化的影像來說，改善效果并不明顯。

1.1.2 物理檢校

物理檢校需要將相機(jī)送往專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢校。實(shí)驗(yàn)表明，該方法得到的相機(jī)參數(shù)較為準(zhǔn)確，用此相機(jī)檢校參數(shù)能較大幅度地提高空三加密的高程精度。但該方法也存在一些缺點(diǎn)：① 費(fèi)用較高，按一般情況估計(jì)，一臺(tái)非量測(cè)相機(jī)1 a的費(fèi)用約為3～5萬元；② 必須將相機(jī)送往專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，檢校周期較長，可能影響其他項(xiàng)目的航攝，相機(jī)來回運(yùn)送也會(huì)產(chǎn)生較高的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.3 自主建立室內(nèi)檢校場(chǎng)進(jìn)行檢校

結(jié)合無人機(jī)非量測(cè)型相機(jī)標(biāo)定的需求，本文提出了一種基于卡片式標(biāo)定板的便攜、免控制的相機(jī)標(biāo)定解決方案，給相機(jī)標(biāo)定帶來了較大的便利。

(1) 場(chǎng)地選擇

拍攝相機(jī)標(biāo)定影像，需要一個(gè)較開闊的拍攝場(chǎng)地。場(chǎng)地要求如下：① 拍攝場(chǎng)地需要光線充足；② 場(chǎng)地面積不能小于3 m×2 m；③ 拍攝者站立位置與墻壁距離不能小于3 m；④ 背景最好為白色的墻壁；⑤ 墻壁平整，確保四周沒有遮擋。

(2) 擺放標(biāo)定板

確定場(chǎng)地及擺放位置后，即可開始擺放標(biāo)定板。

1) 材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備泡沫板、雙面膠帶、大頭針等材料。

2) 擺放標(biāo)定板時(shí)先利用雙面膠帶將泡沫板固定在墻上，再利用大頭針將標(biāo)定板固定在泡沫板上。

布設(shè)標(biāo)定場(chǎng)時(shí)，標(biāo)定板之間需要有一定的高差，主要目的是模擬出地形起伏。按照標(biāo)定要求在規(guī)定的3個(gè)拍攝位置：標(biāo)定板正前方，標(biāo)定板右前方以及標(biāo)定板左前方，拍攝45張以上的影像，應(yīng)用相應(yīng)軟件進(jìn)行一鍵標(biāo)定，計(jì)算出相機(jī)參數(shù)。相機(jī)檢校標(biāo)志擺放如圖3所示。

圖3 相機(jī)檢校標(biāo)志擺放示意圖

仍以貝殼梁風(fēng)電場(chǎng)的研究對(duì)象，比對(duì)2種相機(jī)檢校方法的效果，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 兩種相機(jī)檢校方法的相機(jī)參數(shù)應(yīng)用情況比較表

分析得到，室內(nèi)檢校場(chǎng)方法比物理檢校方法的精度略低，但室內(nèi)檢校場(chǎng)可以多次利用，大幅度降低成本。并且僅僅依靠相機(jī)檢校的辦法，空三加密精度并未完全滿足規(guī)范要求，需要繼續(xù)改進(jìn)空三加密技術(shù)。

1.2 針對(duì)測(cè)區(qū)特點(diǎn)優(yōu)化軟件配置組合，提高無人機(jī)航測(cè)空三加密精度

1.2.1 Pixelgrid軟件的特點(diǎn)

Pixelgrid攝影測(cè)量系統(tǒng)是國產(chǎn)空三軟件的領(lǐng)先者，空三加密的精度可靠，質(zhì)量可控，被廣泛應(yīng)用于航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中。該軟件處理無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)，步驟劃分較細(xì)，優(yōu)點(diǎn)是程序穩(wěn)定，對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)要求不高，每一環(huán)節(jié)都能進(jìn)行人工干預(yù)和質(zhì)量控制，缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度不夠高，處理速度較慢，滿足不了項(xiàng)目工期需要。

1.2.2 Inpho軟件的特點(diǎn)

Inpho是世界領(lǐng)先的航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度與全自動(dòng)匹配精度較高，但軟件對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)、pos精度、地物紋理的要求較高，如遇到條件不理想的測(cè)區(qū)，匹配錯(cuò)誤較多，而該軟件的人工干預(yù)量較少，對(duì)于困難區(qū)域無法保證空三加密精度。

以往采用的單一軟件的空三加密，由于各軟件本身的缺陷，存在較多點(diǎn)位中誤差超限和返工現(xiàn)象。2種優(yōu)勢(shì)明顯的軟件聯(lián)合使用，在充分利用inpho快速自動(dòng)處理海量無人機(jī)數(shù)據(jù)能力的同時(shí)，能結(jié)合Pixelgrid過程控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化資源配置，提高生產(chǎn)效率。聯(lián)合空三加密的優(yōu)勢(shì)如表4所示。

表4 pixelgrid與inpho聯(lián)合空三優(yōu)勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)貝殼梁風(fēng)電場(chǎng)影像數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)檢校參數(shù)，并使用pixelgrid與inpho聯(lián)合空三加密方法后，結(jié)果如表5所示，已滿足規(guī)范要求。

表5 貝殼梁風(fēng)電場(chǎng)無人機(jī)航測(cè)1∶2 000空三加密精度統(tǒng)計(jì)表(聯(lián)合空三方法)

選取了其他幾個(gè)航測(cè)成圖項(xiàng)目，利用空三加密得到的基本定向點(diǎn)中誤差，結(jié)果如表6所示。

表6 技術(shù)改進(jìn)前后情況對(duì)比表

在此后的1∶1 000地形圖的谷梁風(fēng)電場(chǎng)、哈密抽水蓄能等項(xiàng)目也得到了驗(yàn)證，空三加密精度完全滿足國家1∶1 000空三加密的規(guī)范要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。

表7 1∶1 000空三加密精度統(tǒng)計(jì)表

對(duì)上述兩個(gè)1∶1 000無人機(jī)航測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了空三加密的精度統(tǒng)計(jì)分析，得到圖4，表明1∶1 000地形圖的空三加密精度也能滿足國家規(guī)范的相應(yīng)要求。

圖4 1∶1 000項(xiàng)目空三加密精度統(tǒng)計(jì)圖

2 結(jié) 語

本論文主要研究了無人機(jī)航測(cè)空三加密精度的提高方法，通過比較各種相機(jī)檢校方法，綜合考慮精度、效率和成本，自主創(chuàng)建了高精度的室內(nèi)相機(jī)檢校場(chǎng)；并進(jìn)行了空三加密軟件的聯(lián)合平差實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了軟件組合和配置；從而完成了對(duì)傳統(tǒng)空三加密流程的改進(jìn)。

經(jīng)過與傳統(tǒng)空三加密方法的比較實(shí)驗(yàn)以及項(xiàng)目推廣實(shí)驗(yàn)，表明了改進(jìn)后的空三加密方法較好地解決了無人機(jī)航測(cè)高程精度較低的問題，空三結(jié)果能滿足1∶1 000、1∶2 000地形圖國家規(guī)范的精度要求，從而提高了航測(cè)成圖的精度。綜上所述，本文研究的方法為無人機(jī)航測(cè)成圖提供了一種較新的思路和較為實(shí)用的方法。