何 磊,李金忠，王旭東

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

無人機(jī)測繪在特殊地區(qū)遙感影像獲取和數(shù)據(jù)快速處理成圖有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[1-3]。在低空無人機(jī)攝影測量作業(yè)中，像控點(diǎn)布設(shè)及數(shù)據(jù)處理是正射影像制作的重要環(huán)節(jié)，關(guān)于像控點(diǎn)布設(shè)與正射影像結(jié)果精度的研究諸多，羅東山等[4]研究了像控點(diǎn)數(shù)量由少到多變化、像控點(diǎn)布設(shè)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(diǎn)布設(shè)的研究中，結(jié)合野外測量干擾因素，提出按傳統(tǒng)攝影測量規(guī)范布設(shè)和測量的情況下會增加工作難度；吳海兵等[5]提出無人機(jī)航測現(xiàn)狀中的測量規(guī)范和像控點(diǎn)布設(shè)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(diǎn)布設(shè)數(shù)量，可以減少野外工作量。本文以攝影測量加密原理為基礎(chǔ)，從控制點(diǎn)的角度出發(fā)，通過對5種無人機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行空三精度對比實(shí)驗(yàn)，從而選取一種適合小區(qū)域、影像幅面小的無人機(jī)航測最優(yōu)控制點(diǎn)布設(shè)方案，對探究無人機(jī)攝影測量成圖精度及4D產(chǎn)品的生產(chǎn)有一定的參考價值。

1 外業(yè)航測數(shù)據(jù)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(jī)航測數(shù)據(jù)的獲取并開展相關(guān)研究。

1.2 無人機(jī)航空攝影

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[6]要求，航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不應(yīng)小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為60%。本研究將航向重疊率設(shè)置為80%，旁向重疊率設(shè)置為70%[7]。無人機(jī)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(bǔ)測情況發(fā)生。

2 像控點(diǎn)布設(shè)方案及空三處理

2.1 無人機(jī)航測像控點(diǎn)布設(shè)方案

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

2.2 基于Pix4D的空三處理

本次實(shí)驗(yàn)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(yīng)用于無人機(jī)采集數(shù)據(jù)、航拍、測量等流程，為專業(yè)進(jìn)行無人機(jī)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(jī)拍攝的圖像進(jìn)行拼接，將航測所得測區(qū)航片導(dǎo)入Pix4D mapper軟件，同時根據(jù)不同控制點(diǎn)布設(shè)方案導(dǎo)入相應(yīng)數(shù)量的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像拼接，拼接結(jié)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(shù)進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合測區(qū)實(shí)際，東坐標(biāo)、北坐標(biāo)精度限制為0.1 m、輸出坐標(biāo)系為獨(dú)立坐標(biāo)系、中央子午線精度設(shè)置為102°。根據(jù)布設(shè)方案所選取的控制點(diǎn)進(jìn)行航片刺點(diǎn)后進(jìn)行圖像處理。

(3)為了提高空三精度，在處理時需對圖像進(jìn)行空三加密處理，基于獲取的POS數(shù)據(jù)完成空三加密后重新匹配優(yōu)化(圖1)，并生成點(diǎn)位精度質(zhì)量報(bào)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(shù)學(xué)精度的一個重要指標(biāo)[10]。本研究選取的41個檢測點(diǎn)作為精度評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以中誤差(包括點(diǎn)位平面中誤差和點(diǎn)位高程中誤差)作為精度評價的指標(biāo)，GPS測得的點(diǎn)位坐標(biāo)作為真值。中誤差計(jì)算公式：

式中：Δ為量的真誤差，[]為求和符號，n為觀測值個數(shù)，m為中誤差。

以無像控點(diǎn)方案作為初始對照數(shù)據(jù)，與不同像控點(diǎn)布設(shè)方案下空三加密后的點(diǎn)位精度進(jìn)行對比(表1～表5),不同像控點(diǎn)布設(shè)方案下的精度點(diǎn)位誤差數(shù)據(jù)見圖2和圖3。

表1 無像控點(diǎn)平面數(shù)據(jù)Tab.1 Plane data of no-image control points

表2 3像控點(diǎn)平面數(shù)據(jù)Tab.2 Plane data of 3-image control point

表3 5像控點(diǎn)平面數(shù)據(jù)Tab.3 Plane data of 5-image control point

表4 7像控點(diǎn)平面數(shù)據(jù)Tab.4 Plane data of 7-image control point

表5 10像控點(diǎn)平面數(shù)據(jù)Tab.5 Plane data of 10-image control point

圖3 不同像控點(diǎn)布設(shè)方案下的點(diǎn)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(jù)GPS測量的坐標(biāo)真值與5種布設(shè)方案的檢查點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算得到坐標(biāo)變化量，利用上述公式計(jì)算出5種方案的中誤差，得出不同像控點(diǎn)布設(shè)方案下的平面坐標(biāo)中誤差和高程中誤差。

表6 不同像控點(diǎn)布設(shè)方案的中誤差計(jì)算成果表Tab.6 Mid-error calculation of different layout schemes of image control points

根據(jù)GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[8],1∶1 000比例尺地形圖平面坐標(biāo)限差為0.6 m，高程限差為0.2 m，結(jié)合上述誤差柱狀圖和中誤差計(jì)算可得,當(dāng)無像控點(diǎn)時，特征點(diǎn)平面精度較低；添加3個像控點(diǎn)后，精度明顯提升，點(diǎn)位中誤差為m3=0.067 2 m，高程中誤差h3=0.129 3 m；當(dāng)布設(shè)5個像控點(diǎn)時，達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)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(dāng)布設(shè)7個像控點(diǎn)時，精度下降，點(diǎn)位中誤差為m7=0.074 8 m，高程中誤差h7=0.135 7m。當(dāng)布設(shè)10各像控點(diǎn)時，空三精度繼續(xù)下降。

4 討論與結(jié)論

無人機(jī)影像處理的精度取決于空三解算精度，當(dāng)像控點(diǎn)較多時，軟件的數(shù)據(jù)處理量較大，當(dāng)在測區(qū)邊緣地帶布設(shè)4個像控點(diǎn)，有利于保證區(qū)域內(nèi)部精度[11]。像控點(diǎn)個數(shù)減少后，既減少了外業(yè)工作量，又縮短了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的時間，提高了工作效率[12]。本文通過41個檢查點(diǎn)平面和高程中誤差計(jì)算可知，當(dāng)像控點(diǎn)個數(shù)為5時，像控點(diǎn)均勻分布在研究區(qū)內(nèi)，空三精度達(dá)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(dāng)像控點(diǎn)增多時，在空三解算時，刺點(diǎn)精度隨之下降，導(dǎo)致空三精度下降[13]。由于本次實(shí)驗(yàn)是在一定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)的普遍性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

在小地區(qū)低空航攝測量中，像控點(diǎn)數(shù)量與空三精度的關(guān)聯(lián)度不是很高，在1 km2范圍內(nèi)5個像控點(diǎn)均勻布設(shè)，可滿足無人機(jī)航測大比例尺測圖精度。