后差分技术及像控点密度对无人机摄影测量精度影响研究

陈鹏飞,胡海峰,廉旭刚,杜永军

(1. 太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024; 2. 中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

后差分技术及像控点密度对无人机摄影测量精度影响研究

陈鹏飞1,胡海峰1,廉旭刚1,杜永军2

(1. 太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024; 2. 中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

基于Inpho摄影测量软件对比分析后差分、单点定位的无人机影像数据，在密集像控点、稀疏像控点条件下的DOM精度及DEM精度。在1 km2的试验区布设68个像控点及检查点，通过调整参与计算的像控点数量及布设位置，采用检查点对生成的DOM及DEM精度进行验证。通过试验发现，基于后差分技术及对控制点的合理布设对无人机摄影测量成果精度的提高具有显著效果。本次试验，最高精度达到平面±4 cm，高程±9 cm。因此，后差分技术及合理像控点布设对于大比例无人机数字测图具有重要的意义。

后差分；像控点；空三加密；Inpho；DEM；DOM

目前，无人机低空遥感数字航空摄影测量系统已经成为获取地形测量数字成果的重要手段之一。但是由于其质量轻、体积小，而且携带的是非量测型相机，因此影响数字成果的因素众多：①在后差分技术对其影响方面，基于后差分的POS辅助定向技术即全球定位技术及惯性导航测量装置，使得无人机摄影装置能够获得比常规POS辅助定向技术更准确的曝光时刻的外方位元素[1]。②在像控点布设对其影响方面，采用传统的摄影测量布点方式，不但增加控制点数量，而且实施起来比较困难，因此，不能对无人机影像完全使用传统航测布设方式[2]。基于上述因素对数字成果的精度影响，本文将这些因素进行了整体性分析，以航空摄影测量外业控制点布设方案对空三加密的精度影响为主要试验内容，通过不同数据源、不同像控点布设方案依托Inpho摄影测量工作站对试验区进行航飞数据获取与处理，得到该区的DOM、DEM数字产品，通过野外实测检查点对其空三成果及数字产品的精度进行对比分析，得出这些因素对数字产品的影响程度，以期为无人机低空遥感数据处理及应用提供参考。

1 无人机低空摄影测量数字成果获取

1.1 数据源获取

试验区域选取在太原理工大学明向校区，测区呈规则矩形，面积约1.05 km2，平均海拔810 m，测区的东区和北区高楼和道路密集，其他区域地势较平坦，布设像控点比较方便。数据获取基于两种不同飞行平台，对太原理工大学明向校区进行航飞，两个飞行平台采用同一种非量测型数码相机，数据源Ⅰ采用了后差分技术，数据源Ⅱ采用常规航测手段。两套数据源参数见表1。

表1 数据源参数

1.2 控制点布设方案设计

控制点数量及布设位置的不同对空三加密精度影响的研究表明，控制点的减少会影响空三加密的精度，但并不是控制点的密度越大越好[3-4]，本文采用了两套比较典型的控制点布设方案，利用RTK共采集68个外业控制点。

(1) 布设方案1：区域网四周边及中心线处布设平高点。考虑到本测区为较规则矩形区域，在矩形的4个角点、4条边中心处及矩形中心位置共布设9个点，形成规则的9点法，其余59个点均为精度检查点。布设方案1如图1所示。

图1 布设方案1

(2) 布设方案2：区域网4周边及中心线处布设平高点控制点，4角呈点组式布点并且都是平高点，在区域中心周围均匀加布高程点，即在第一种布设方案的基础上增加8个点，其余51个点均为精度检查点。布设方案2如图2所示。

图2 布设方案2

2 Inpho平台数据处理

Inpho是一款专业的无人机影像处理软件，其DOM及DEM都是以空三加密为基础，依托Applications Master基础平台，利用Match-AT自动空中三角测量加密模块、inBLOCK区域网平差模块、Match-T DSM自动提取地形地表模块、DTMMaster DTM/DSM编辑模块、OrthoMaster正射纠正模块及OrthoVista镶嵌匀色等模块，可为无人机低空摄影测量数据提供高精度的内业数据处理[5-7]。

数据的处理过程为首先对原始影像进行预处理，包括影像的匀光、匀色、畸变处理；然后是光束法区域网空中三角测量，依托Applications Master平台建立项目，导入畸变后影像、POS文件、控制点文件，并自动生成航带；为影像创建金字塔，基于影像金字塔逐级细化的影像分级匹配策略进行影像匹配，可以得到可靠性好、精度高的同名像点。利用Match-AT空中三角测量加密模块进行连接点的自动提取和区域网平差，接着删除残差较大的连接点，而后进行控制点和检查点量测，再进行光束法区域网整体平差，查看其残差并进行争议点编辑，如此反复直到残差落入允许范围内；利用Match-T DSM模块自动提取地形地表模型，由于生成的DTM更趋向于DSM，因此在DTM/DSM Editor中要对DTM进行编辑，使其与实际地形一致，由此生成DEM；在OrthoMaster正射纠正模块引入生成的DEM进行单张影像正射纠正生成单张正射瓦片，在OrthoVista中智能镶嵌出初始DOM，编辑DOM、调整镶嵌线完成DOM制作。

3 各方案数字成果精度对比分析

3.1 空三加密成果精度分析

空中三角测量区域网平差后的定向点和检查点实际精度是通过野外实测检查点进行评定，计算由解算出的外方位元素与检查点的像点坐标所求出检查点地面坐标的解算值与实测坐标的差值，其差值认为是真误差，根据式(1)求出中误差[8-10]，结果见表2。

(1)

式中，σX、σY为点在X、Y方向的中误差;σZ为点的高程中误差;σXY为点的平面中误差；Χ检、Y检、Z检为检查点的实测坐标值;X解、Y解、Z解为检查点经过空三解算后的结算值。

表2 不同数据源不同布设方案空三精度

根据不同数据源、不同布设方案空三结果分析：数据源Ⅰ的定向点与检查点中误差普遍小于数据源Ⅱ，数据源Ⅰ的平面中误差较数据源Ⅱ可以提高2倍以上，高程中误差则可以提高2倍以上，这是由于数据源Ⅰ采用了后差分技术，其所用的POS是经过差分软件的处理并解算出相机曝光时刻准确的经纬度和椭球高，因此数据源Ⅰ的精度会高于数据源Ⅱ；随着控制点布设数量的增加和类型的变化，空三平面中误差变化不大，这是由于方案1的九点已经可以将平面精度控制到很好的程度，但是对于高程有显著提升，最小提高到2倍以上。在利用差分技术和合理布设像控点的基础上，本试验空中三角测量的平面和高程精度能够满足《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》(GB/T 23236—2009)[11]1∶500要求。

3.2 DEM成果精度对比

经过编辑后的DEM精度验证是通过野外实测检查点进行评定，在ArcGIS中提取检查点在DEM中对应的高程值并同实测高程值进行比较得出整个图幅中误差[12]，由式(2)计算求得，结果见表3。

(2)

式中，M为DEM高程中误差；Δ为DEM检查点高程提取值与实测值较差；n为检查点个数。

表3 不同数据源不同布设方案DEM精度

根据不同数据源不同布设方案DEM精度统计结果分析：统计结果与空三结果很接近，由于数据源Ⅰ采用了后差分解算结果，其中误差要比数据源Ⅱ小，数据源Ⅰ较数据源Ⅱ提高了至少3倍；受到方案2控制点的变化，检查点中误差有明显的减小，可以提高2倍以上。本试验得出，利用差分技术及合理的控制点布设其所生产的DEM精度可以达到《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字高程模型》(CH/T 9008.2—2010)[13]1∶500要求。

3.3 DOM成果精度对比

DOM的精度是通过野外实测检查点进行评定，利用ArcGIS在正射影像图上提取出检查点的坐标，与实测值进行比较求取平面位置中误差[14]，由式(3)求得平面中误差。DOM中误差统计结果见表4。

(3)

式中，σX、σY为DOM检查点在X、Y方向的中误差；σXY为DOM检查点的平面中误差；X提、Y提为从DOM提取的检查点坐标；X实、Y实为检查点实测坐标。

表4 不同数据源不同布设方案DOM精度

根据不同数据源不同布设方案DOM统计精度分析：由于受到后差分技术及所生成的DEM影响，数据源Ⅰ的DOM点位中误差比数据Ⅱ小。本文设计下控制点方案的变化对DOM精度影响趋势较平缓，这是由于方案1控制点的布设方法已经足够控制整幅图的平面精度，并能够满足《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字正射影像图》(CH/T 9008.3—2010)[15]1∶500要求。

4 结 语

本文以太原理工大学明向校区为航飞区域，利用后差分技术与常规航测技术两种方法对其进行数据获取，分别布设了两套不同控制点方案，并对比分析了不同数据源不同控制点方案制作的数字成果精度。结果表明：

(1) 数据源Ⅰ由于利用后差分手段，其精度较数据源Ⅱ有显著提升，无论是对于平面还是高程其精度最少有2倍的提升，其中，空三平面最高精度可以达到±6 cm、高程最高可以达到±8 cm，DEM精度可以达到±9 cm，DOM精度可以达到±4 cm。

(2) 随着设计控制点的增多与布设位置的调整，平面精度变化趋势较平缓，但高程中误差可以提升2倍，变化较显著。

(3) 影响DEM与DOM精度的因素有差分技术的引用、控制点布设方案的选取。从两个影响因素的影响程度看来，差分技术的引用较本文设计下的控制点方案对其精度提升效果更显著。

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OnInfluenceofPost-processedDifferenceTechniqueandImageControlPointDensityonUAVPhotogrammetryAccuracy

CHEN Pengfei1,HU Haifeng1,LIAN Xugang1,DU Yongjun2

(1. School of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. China Energy Construction Group Shanxi Electric Power Survey and Design Institute Co. Ltd., Taiyuan 030001, China)

Based on the Inpho photogrammetry software, the DOM precision and DEM precision of the UAV image data of post-processed difference and point positioning under the condition of dense image control points and sparse image control points are compared and analyzed. In the test area of 1 km2, 68 image control points and check points are laid. By adjusting the number and layout position of image control points of the involved calculation, the inspection points are used to verify accuracy of the generated DOM and DEM. Through the experiment, it is found that the accuracy of UAV photogrammetry results is improved remarkably based on the post-processed difference technique and the reasonable layout of the control points. In this experiment, the highest precision reaches the plane ±4 cm and the elevation is ±9 cm. Therefore, post-processed differencing technique and reasonable image control point layout are of great significance for large scale UAV digital mapping.

post-processed difference；image control point；aerial triangulation；Inpho；DEM；DOM

陈鹏飞,胡海峰,廉旭刚,等.后差分技术及像控点密度对无人机摄影测量精度影响研究[J].测绘通报，2017(11)：144-147.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0365.

P23

A

0494-0911(2017)11-0144-04

2017-07-13；

2017-09-18

国家自然科学基金(51574132)

陈鹏飞(1990—)，男，硕士生，主要研究方向为开采沉陷与变形监测。E-mail:644439661@qq.com

廉旭刚。E-mail:lianxugang@tyut.edu.en