【技術(shù)】低空無人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)布設(shè)方法探討

摘要：以新疆巴音郭楞蒙古自治州和碩縣塔哈其鄉(xiāng)古努恩布呼村作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用固定翼輕型電動(dòng)無人飛機(jī)航攝系統(tǒng)，獲取影像數(shù)據(jù)使用Pix4dMapper 全自動(dòng)快速無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)方式及數(shù)量進(jìn)行探討，制作出1∶ 1 000的數(shù)字真正射影像，滿足農(nóng)村地籍調(diào)查及集體建設(shè)用地使用權(quán)確權(quán)登記工作( 以下簡(jiǎn)稱“農(nóng)村地籍調(diào)查工作”) 調(diào)查底圖的精度要求，最終總結(jié)出像控點(diǎn)布設(shè)方式及數(shù)量較為合理的方案，可為后期影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī); 像控點(diǎn); 地籍調(diào)查; 精度分析

0 引言

全面開展農(nóng)村地籍調(diào)查工作，進(jìn)一步查清宗地的空間位置以及利用現(xiàn)狀，構(gòu)建完善的地籍管理制度和完整的地籍管理信息系統(tǒng)是保障農(nóng)民合法權(quán)益、節(jié)約和保護(hù)耕地、加快推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需要。農(nóng)村地籍調(diào)查的開展，獲取大比例尺地籍調(diào)查的工作底圖，是按時(shí)完成農(nóng)村地籍調(diào)查的首要任務(wù)。巴音郭楞蒙古自治州占新疆總面積的四分之一，是中國(guó)面積最大的地級(jí)行政區(qū)，但是目前需要調(diào)查的農(nóng)村大多沒有1∶ 1 000的調(diào)查底圖，為確保在3 年時(shí)間內(nèi)順利完成農(nóng)村地籍調(diào)查工作，必須采取快速高效的方法獲取地籍調(diào)查的工作底圖。低空無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)作為一種新的測(cè)繪手段，可針對(duì)每個(gè)農(nóng)村居民區(qū)域的分布狀況制定飛行任務(wù)，可快速獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，通過外業(yè)像控測(cè)量、內(nèi)業(yè)空三加密，制作出滿足村莊地籍調(diào)查精度要求的工作底圖，可為農(nóng)村地籍調(diào)查提供基礎(chǔ)性資料。

無人機(jī)獲取的影像具有像幅小、基線短、重疊大、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前相關(guān)規(guī)范對(duì)低空無人機(jī)攝影測(cè)量控制點(diǎn)的布設(shè)方式及數(shù)量并沒有明確規(guī)定，而像控點(diǎn)的數(shù)量及其分布是影響區(qū)域網(wǎng)加密精度的一個(gè)非常重要的因素，因此在滿足內(nèi)業(yè)成圖精度的前提下，為了減少野外像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量，得出適合低空無人機(jī)航攝的最佳像控點(diǎn)布設(shè)方式及數(shù)量是一個(gè)迫切需要解決的問題。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

1. 1 實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍

測(cè)區(qū)位于新疆巴州和碩縣塔哈其鄉(xiāng)古努恩布呼村，地理坐標(biāo)在東經(jīng)86°55'30″—84°59'00″、北緯42°15'20″—42°17'21″之間，總面積約20 km2，航飛區(qū)域?yàn)槠皆貐^(qū)，地勢(shì)平坦，大部分為農(nóng)村居民點(diǎn)。

1. 2 實(shí)驗(yàn)區(qū)航空影像

此次航拍采用固定翼電動(dòng)無人機(jī)作為飛行設(shè)備，本次試驗(yàn)共3 個(gè)架次，敷設(shè)28 條航線，每條航線約60 條基線，獲取的真彩色像片1 595 張，影像紋理清晰、色調(diào)均勻; 旁向重疊為60%、航向重疊為80%，進(jìn)行高重疊航拍，在影像鑲嵌時(shí)可選取像片中心畸變較小的正射部分制作真正射影像，同時(shí)還可以增強(qiáng)模型內(nèi)部的連接性和穩(wěn)定性，提高成圖精度。實(shí)驗(yàn)區(qū)域主要航攝參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域航攝參數(shù)

2 像控點(diǎn)布設(shè)實(shí)驗(yàn)

由上述實(shí)驗(yàn)區(qū)域航攝的參數(shù)可知，此次無人機(jī)航拍獲取的影像具有像幅小、基線短、重疊大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的攝影測(cè)量規(guī)范由航線跨度和基線跨度的形式布設(shè)像控點(diǎn)，制作1∶ 1 000 數(shù)字正射影像，可滿足《1∶ 500 1∶1 000 1∶ 2 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求，按照隔航帶、隔6 條基線的方式布設(shè)像控點(diǎn)[7]，需要布設(shè)140個(gè)點(diǎn)左右。本次無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)制作出1∶ 1 000真正射影像，是用于地籍調(diào)查工作底圖，只需要滿足平面精度要求即可，高程精度不做要求，綜合考慮外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量以及內(nèi)業(yè)空三加密精度，按照合適的距離布設(shè)像控點(diǎn)是本次試驗(yàn)探討的重點(diǎn)。

2. 1 實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)布設(shè)像控點(diǎn)采用的方法是按照一定的距離選取像控點(diǎn)的位置，先擬定需要布設(shè)像控點(diǎn)的距離，分別是2 000 m、1 800 m、1 600 m、1 400 m、1 200 m、1 000 m、800 m、600 m、400 m，實(shí)際布設(shè)的像控點(diǎn)個(gè)數(shù)分別是4 個(gè)、7 個(gè)、10 個(gè)、12 個(gè)、14 個(gè)、18 個(gè)、29 個(gè)、47 個(gè)、111 個(gè)，具體布點(diǎn)情況如圖1 所示。對(duì)同一區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行空中三角測(cè)量平差解算，利用相同的170 個(gè)野外檢查點(diǎn)分別對(duì)不同布點(diǎn)方案的區(qū)域網(wǎng)平差解算結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。

在實(shí)際布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)位要選取在影像上清晰可見、易于分辨的特征地物點(diǎn)上，就不能完全按照預(yù)先設(shè)定好的距離進(jìn)行布點(diǎn)，所以只能根據(jù)實(shí)際情況選取的點(diǎn)位，構(gòu)建三角網(wǎng)，然后計(jì)算三角網(wǎng)基線的平均距離，作為最終距離的參考依據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 像控點(diǎn)布設(shè)的九種方案

表2 不同方案像控點(diǎn)布設(shè)計(jì)算距離結(jié)果

2. 2 空三加密

本次實(shí)驗(yàn)的空三加密采用瑞士Pix4D 公司的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Pix4dMapper，根據(jù)pos 文件建立好的航帶，并設(shè)定像點(diǎn)殘差的限值以及控制點(diǎn)的權(quán)值，通過光束法進(jìn)行空中三角測(cè)量，完成區(qū)域網(wǎng)平差后由軟件生成空三報(bào)告。

2. 3 制作真正射影像

利用滿足精度要求的空三成果，設(shè)置提取格網(wǎng)間距，密集匹配點(diǎn)云后生成三維點(diǎn)云文件，依據(jù)匹配的點(diǎn)云生成實(shí)驗(yàn)區(qū)1∶ 1 000數(shù)字表面模型( DSM) 。在空三加密成果和生成數(shù)字表面模型( DSM) 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)字微分糾正得到單片正射糾正影像( DOM) ，采取自動(dòng)和人工相結(jié)合的方法，編輯單片正射糾正影像的鑲嵌線，獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)1∶ 1 000數(shù)字真正射影像圖。

2. 4 矢量化成圖

本次無人機(jī)航拍的結(jié)果用于農(nóng)村地籍調(diào)查的工作底圖，依據(jù)1∶ 1 000數(shù)字正射影像圖，采用ArcGIS 軟件、Kq-Tools 軟件對(duì)其矢量化，矢量數(shù)據(jù)的精度必須要滿足農(nóng)村地籍調(diào)查的要求。由《地籍調(diào)查規(guī)程》可知，地籍圖平面位置精度見表3。

表3 地籍圖平面位置精度

1∶ 1 000正射影像分辨率為10 cm，即正射影像上一個(gè)像元的精度為10 cm，這是影像誤差，也是系統(tǒng)誤差，理論上內(nèi)業(yè)矢量化時(shí)人為誤差可以控制在± 10 cm，即一個(gè)像元，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，內(nèi)業(yè)矢量化1∶ 1 000影像精度誤差可以控制在± 10— ± 20 cm 之間。如果要滿足地籍調(diào)查工作底圖中誤差為0. 4 m 的精度要求，那么1∶ 1 000影像圖的平面精度必須控制在10—20 cm 之間，經(jīng)內(nèi)業(yè)矢量化后得到的地籍圖才能滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》的精度要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

3. 1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本次試驗(yàn)采用相同的170 個(gè)野外檢查點(diǎn)，以1∶ 1 000正射影像圖的一般地物點(diǎn)平面位置精度0. 2 m 為中誤差，對(duì)像控點(diǎn)不同布設(shè)方案的區(qū)域網(wǎng)平差解算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表4。

表4 像控點(diǎn)不同布設(shè)方案平差解算結(jié)果( m)

3. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較與分析

通過對(duì)像控點(diǎn)不同布設(shè)方案平差解算結(jié)果( 見表4)進(jìn)行比較分析，可以看出:

觀察檢查點(diǎn)的平面誤差，方案一至方案六均不能滿足1∶ 1 000正射影像圖的一般地物點(diǎn)平面中誤差0. 2 m，方案七至方案九均可滿足規(guī)范精度要求，其中方案九的平面精度最好。

通過對(duì)檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表的數(shù)據(jù)，加以分析繪制中誤差曲線圖( 如圖2 所示) ，可以直觀地看出9 種方案計(jì)算出檢查點(diǎn)的平面中誤差數(shù)值逐次遞減。隨著控制點(diǎn)的密度增加，空三加密的精度有所提升，檢查點(diǎn)的平面精度也越來越好。

圖2 像控點(diǎn)不同布設(shè)方案平面中誤差曲線圖

觀察檢查點(diǎn)的平面中誤差的變化趨勢(shì)( 見圖2) ，方案一到方案七平面中誤差減小幅度較大，方案七到方案九中誤差的變化幅度趨于平穩(wěn)，由此可知，雖然檢查點(diǎn)平面精度隨控制點(diǎn)的密度增加而提升，但當(dāng)控制點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到一定程度后，增加平面控制對(duì)平面精度的影響不大。

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量規(guī)范由航線跨度和基線跨度的形式布設(shè)像控點(diǎn)，需要布設(shè)140 個(gè)點(diǎn)左右，而方案九按照預(yù)設(shè)400 m 間距布設(shè)111 個(gè)像控點(diǎn)，其平面中誤差為0. 11 m，由此可知，當(dāng)像控點(diǎn)布設(shè)到140 個(gè)點(diǎn)時(shí)，平面精度也不會(huì)有較大提高，因此，不必嚴(yán)格按照傳統(tǒng)空三的區(qū)域布點(diǎn)要求，可以根據(jù)具體情況，按照合適的間距布設(shè)像控點(diǎn)。

綜上所述，像控點(diǎn)布設(shè)的間距控制在1 000 m以內(nèi)，可以滿足地籍調(diào)查工作底圖的精度要求，控制在800 m 以內(nèi)，區(qū)域網(wǎng)空三解算的穩(wěn)定性和精度均較優(yōu)。雖然布設(shè)間距在400 m 以內(nèi)，平面精度最好，但外業(yè)測(cè)量控制點(diǎn)成本較高，不予考慮; 因此布設(shè)像控點(diǎn)較為理想的間距是600—800 m，但隨著測(cè)區(qū)的面積增大和有不規(guī)則的區(qū)域存在，同時(shí)顧及到無人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等因素，從內(nèi)外業(yè)綜合考慮，方案八是既經(jīng)濟(jì)又有效的像控點(diǎn)布點(diǎn)方式，即像控點(diǎn)布設(shè)的間距在600 m 左右最為合適。

4 結(jié)束語

本文以新疆和碩縣塔哈其鄉(xiāng)古努恩布呼村作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用固定翼輕型電動(dòng)無人飛機(jī)航攝系統(tǒng)，基于布設(shè)方式及數(shù)量進(jìn)行探討，根據(jù)精度驗(yàn)證的分析結(jié)果，在滿足農(nóng)村地籍調(diào)查工作底圖的平面精度要求的基礎(chǔ)上，總結(jié)出像控點(diǎn)合理布設(shè)較合理的方案，由此得到以下結(jié)論:

1) 增加平面控制能提高區(qū)域網(wǎng)平差的整體精度，采取密集布設(shè)像控點(diǎn)的方式，地物點(diǎn)的平面精度得到明顯提升，但當(dāng)控制點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到一定程度后，增加平面控制對(duì)平面精度的影響不大。

2) 本次無人機(jī)航飛數(shù)據(jù)制作出1∶ 1 000正射影像，是用于地籍調(diào)查工作底圖，高程精度不做要求，通過內(nèi)業(yè)矢量化后的數(shù)字線化圖，可以滿足地籍圖平面中誤差為0. 4 m的精度要求。

3) 按照傳統(tǒng)的攝影測(cè)量規(guī)范由航線跨度和基線跨度的形式布設(shè)像控點(diǎn)，需要布設(shè)140 個(gè)點(diǎn)左右，為了減少野外像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量，并且能滿足1∶ 1 000農(nóng)村地籍調(diào)查調(diào)繪底圖平面精度，像控點(diǎn)布設(shè)的間距在600 m 左右，布設(shè)47 個(gè)像控點(diǎn)是既經(jīng)濟(jì)又有效的布點(diǎn)方式。

參考文獻(xiàn)：略

來源：《測(cè)繪與空間地理信息》2018年2月