无人机倾斜摄影测量中的像控点布设方案优化研究

闻彩焕

（河北省地质测绘院 河北，廊坊，065000）

0 引言

无人机倾斜摄影测量技术是近年发展起来的一项航测新技术，具有快速、高效、成本低等特点。目前，国内外已有多家企业和单位研究了倾斜摄影测量自动化三维建模技术，取得了巨大的成果，如Context Capture、Street Factory、Pix4DMapper、Agisoft Photoscan、 Skyline PhotoMesh、 PhotoMetric、SkyPhoto、SmartDPS等。

基于倾斜摄影测量实景三维模型形成的各类数据成果已在各行各业中得到了广泛的应用[1]-[7]，如规划设计、古建筑测绘、应急指挥、电力选线、景区展示、城镇地籍、房产测绘、智慧城市等。

从像控点布设、无人机倾斜摄影、空中三角测量、实景三维模型建立、空间信息采集整个无人机倾斜摄影测量过程中，像控点布设是一项重要环节，也是外业成本投入比较大的部分，直接影响到空中三角测量精度、实景三维模型精度以及空间信息采集精度，从而影响到后期的数字产品。

目前有学者针对倾斜摄影测量中像控点布设方法做了研究[8]-[15]，然而只是在单一分辨率、单一比例尺地形图下进行的研究，没有推广性。本文利用倾斜摄影测量技术获取多分辨率倾斜摄影影像，采用不同像控点布设密度方式进行空中三角测量、建立实景三维模型、空间信息采集，通过对比、统计、分析不同分布方案对空中三角测量精度、模型精度、空间信息精度的影响，从而得出了在不同影像分辨率下像控点布设方案，为不同比例尺地形图测绘、地籍测绘、房产测绘提供建议和指导。

1 像控点布设原则

像控点布设的一般原则为：

布设方式：航摄前布设地面标志，以提高刺点精度，增强外业控制点的可靠性[16]。

布设模式：均匀分布、格网布设。

布设位置：没有遮挡的、影像清晰的目标；尽量是平整、水平的，不要选有高差的斜坡上；易于识别的细小线状地物交点、明显地物拐角点，如道路交角；与周围环境色差小、与地面有高差、成像不清晰等可能引起刺点误差的，均不能作为像控点；像控点点位应具备适宜的GPS的观测环境，避开大功率电磁辐射装备，避开大面积水面。

布设标志：利用制作好的标志进行布设。每次做完像控点拍2-4张不同视点的照片，照片中有参照物，以便内业定位准确。

2 试验数据情况

2.1 研究区域

试验区域位于廊坊市某城镇，测区面积大概3平方公里，地貌平坦，起伏不大，水系、交通、居民地、管线、植被等地物要素类型丰富。

2.2 像控点布设

按照前述的像控点布设原则进行布设，布设模式为采用航向、旁向150m布设的格网布局模式，共布设像控点172个。像控点平面控制测量坐标系统为CGCS2000国家大地坐标系，高程系统为1985国家高程基准。

像片控制点的测量使用河北省卫星定位综合服务系统（CORS），仪器使用Trimble公司的R8双频GPS接收机，脚架对中，采用GNSS-RTK技术进行施测，平面和高程同时测定，观测两测回，两测回结果取平均值作为像控点测量最终成果。

2.3 多角度影像获取情况

采用搭载五台4240万像素传感器倾斜相机的多旋翼无人机进行倾斜摄影。根据区域的形状和范围，航线按东西方向、不同高度进行航摄，共计飞行31架次，获取倾斜影像如表1所示。

表1 倾斜影像数据

2.4 空中三角测量

内业通过像控点的抽稀、删减等，分别按照150米、300米、450、600米的布设距离进行不同分辨率、不同布设方案的空中三角测量。

像控点量测，即刺点环节。为保证空三精度，确保像控点所在像片清晰，像控点位置接近于像片中心，每个像控点分布在不同视角，每个视角至少3个以上像片进行刺点。区域网平差计算结束后，输出共计16种方案的空中三角测量精度报告。

2.5 实景三维模型与空间信息采集

分别进行不同试验方案的三维模型重建工作。利用ContextCapture软件系统建立16种方案的实景三维模型。基于OSGB实景三维模型和DOM影像，利用清华山维EPS2008采编一体化三维测图系统进行空间信息采集。

空间信息采集的对象主要包括建筑物、道路、独立地物的平面位置和高程。

3 统计结果与分析

3.1 空中三角测量精度分析

平差计算后，连接点的重投影差都在1个像素内。控制点整体中误差都在1个像素内，见表2。从表2可以看出，分辨率在2cm（含）以内，随着像控点密度的稀疏，空三加密精度降低，像控点布设距离为150米时精度最高。分辨率为3cm时候，像控点的稀疏和空三加密精度呈现相反关系，即随着像控点密度的稀疏，空三加密精度反而有所增加，像控点布设距离为300-450米基本稳定。5cm时，随着像控点密度的稀疏，空三加密精度反而增高，像控点布设距离在450m之后趋于稳定，成本、效率、精度三者结合，像控点布设距离为600m更合适。

表2 空三加密控制点整体中误差 单位（cm）

3.2 三维模型精度分析

模型精度误差表见表3所示，依照《三维地理信息模型数据产品规范》要求，全部符合精度要求。从表3可以看出，2cm（含）以内，随着像控点密度的稀疏，模型的平面精度和高程精度整体呈现降低趋势，像控点布设距离为150m时，平面和高程精度最高。分辨率为3cm时，模型的平面精度和高程精度整体呈现平稳趋势，像控点布设距离300m距离达到精度最高。在分辨率为5cm时，随着像控点密度稀疏，模型精度在像控点布设密度为450m之后趋于稳定，成本、效率、精度三者结合，像控点布设距离为600m更为合适。

表3 模型精度误差 单位(m)

3.3 空间信息采集精度分析

在测区范围内测取了168个平面检查点和179个高程检查点，野外测量出点的坐标，同时室内获取点坐标，统计两者之间的较差，计算中误差，获取平面和高程精度，见表3。可以看出，分辨率在1.5m以内，随着像控点密度的稀疏，空间信息采集的平面精度和高程精度整体呈现降低趋势，并且平面精度高于高程精度，在150m距离时，平面和高程精度最高。在分辨率为2cm时，空间信息采集的平面精度和高程精度整体呈现降低趋势，像控点布设距离为300m时，平面精度和高程精度接近，结合实际平面精度要求更高的实际需求，像控点布设距离采取150m更为合适。在分辨率为3cm时，空间信息采集的平面精度和高程精度整体呈现平稳趋势，平面精度高于高程精度，像控点布设距离在300m距离达到平面精度和高程精度最高。在分辨率为5cm时，空间信息采集的平面精度和高程精度整体呈现平稳趋势，高程精度高于平面精度，成本、效率、精度三者结合，像控点布设距离为600m比较合适。

表4 采集数据精度统计表 单位(cm)

4 结论

本文通过分析多倾斜影像分辨率条件下的不同像控点分布密度对空三加密精度、实景三维模型精度以及空间信息采集精度的影响，得到最优的方案，结论如下：

（1）从空三精度，模型精度，以及空间信息采集精度分析，分辨率在2cm(含)以内，随着像控点密度的稀疏，空三加密、模型采集、空间信息采集平面和高程精度精度降低，像控点布设距离为150米时空间信息采集精度最高。

（2）3cm时，空三加密、模型采集、空间信息采集平面和高程精度在300米-450米趋于平稳状态，像控点布设距离为300m距离时平面精度和高程精度最高。

（3）5cm时，随着像控点密度的稀疏，空三加密精度反而增高，模型精度、空间信息采集的平面精度和高程精度整体呈现平稳趋势，从成本、效率、精度三者结合来说，像控点布设距离为600m更为适合。

各种方案的平面精度都在10cm以内，高程精度都在10公分以内，根据地形图测绘、地籍、房产测绘需求，可以得到如下结论：

（1）对于1：500比例尺地形图测绘，考虑成本、效率、精度，像控点布设距离300m情况下，影像地面分辨率3cm，重叠度80%-70%时都能达到规范精度要求。

（2）对于1：1000比例尺地形图测绘、地籍测绘，像控点布设距离600m，影像地面分辨率5cm，重叠度80%-70%时都能达到规范精度要求。

（3）对于房产测绘，影像地面分辨率不低于2cm，像控点布设距离不少于150m，重叠度不低于80%-70%时能达到房产测绘二级界址点精度要求。能够使用该方式进行房产二级点以下的测绘。