Phantom 4 Pro无人机倾斜摄影测量像控点布设密度探讨

焦 旺，严亚敏，张 壁

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

1 前言

无人机倾斜摄影技术近几年发展如火如荼,利用无人机倾斜摄影技术建立的数字三维模型,广泛应用于数字城市、工程智能化管理以及应急救灾等领域。倾斜摄影三维模型直观反映地物真实样貌[1],加入像片控制点后,具有较高几何精度。无人机倾斜摄影测量已成为测绘大比例尺地形图又一技术手段。商建伟[2]、马学峰[3]等众多学者均对利用倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的技术流程进行了研究,但就像控点布设方案的讨论较少。

像片控制点是实测于地面可在影像上清晰分辨的特征点位,是摄影测量中实现像空间坐标系向地面空间坐标系转换的唯一参照。倾斜摄影测量中,单位面积布设像控点越多,对成果精度越有利,但过密的像控点会延长测量周期,增加劳动成本,甚至延误项目工期。现行《倾斜航空数字摄影技术规程》（GB/T 39610-2020）未对像控点布点方案作出明确规定。在保证成果精度的前提下,确定适宜的像控点布设密度,提高像片控制测量工作效率,是本文探讨的重点。

大疆Phantom 4 Pro无人机是一款经典的消费级单镜头多旋翼无人机。该机轻便灵活、成本低廉,其自带相机可在云台控制下调整镜头俯仰,在专业飞控软件的控制下,可以通过多架次不同方向不同角度的拍摄,获取同一区域完整的倾斜摄影数据,适宜在小型摄区的低空数字摄影测量中使用。Phantom 4 Pro无人机相关技术指标见表1。

表1 大疆Phantom 4 Pro 无人机相关技术指标

2 研究方法

2.1 无人机倾斜摄影测量技术流程

接到倾斜摄影测量任务后,首先要明确测量范围和精度要求,制定技术方案,并按照规定申请空域。空域获批后方可在获准的时间和范围（高度）内开展无人机倾斜航空摄影工作。像控测量一般在外业航飞前完成,像控点应将测量范围完整覆盖,可布设为地标点,也可测量地面既有特征点。航飞应选在风速小、光照好的时段进行。航飞时,像控点如遭破坏或遮挡,应进行补测。航飞完成后,对影像质量进行检查,如航线弯曲过大、影像重叠不足或有云雾遮挡、漏拍等情况,应进行重飞补飞。数据预处理完成后进行空三计算,如空三计算失败或不合格,可多次重复计算,并从POS数据、像控点测量精度等方面查找原因,必要时进行重飞。空三计算合格方可进行三维建模,建模完成后,利用检查点对三维模型精度进行检查。经精度检查合格的三维模型可用于地形图的生产。

2.2 研究思路

选取采用Phantom 4 Pro无人机完成的平地和丘陵地两处倾斜摄影测量项目数据作为实验数据,分别用摄区布设的全部像控点和经过抽稀的像控点对倾斜摄影数据进行处理计算,使用检查点对不同密度像控点参与空三计算生成的三维模型成果精度进行检查统计,对比不同像控点密度下三维模型成果精度,进而探讨不同测图比例尺和精度要求的倾斜摄影测量项目像控点布设密度的推荐值。

2.3 精度指标

倾斜摄影数字三维模型的平面精度和高程精度可分别用地物点平面位置中误差和高程注记点高程中误差来衡量。地物点平面位置中误差的计算方法是：利用平面检查点的实测坐标和在三维模型上量取的相应位置坐标计算平面位置较差,再用中误差公式计算平面位置中误差。高程注记点高程中误差则利用高程检查点的实测高程和在三维模型上相应位置量取的高程之差计算。检查点数量少于20 时,以误差的算术平均值代替中误差；检查点数量大于等于20 时,中误差按如下表达式计算：

式中：M为中误差；n为检查点总数；Δi为较差。

3 实验及分析

3.1 实验一

3.1.1 摄区概况

摄区地形平坦,长约1.0 km,宽约0.8 km,呈矩形,最大高差30 m,需测制1∶1000 地形图。按照航向500 m和旁向400 m的间距共布设9 个像控点,布设图见图1。摄区布设了4 个平面检查点和67 个高程检查点用于精度检验。无人机航飞相对航高设为250 m,航向重叠度设为70%,旁向重叠度设为60%,摄影基线长度为60 m,航线间距为145 m,摄区最低点影像地面分辨率为0.07 m。

中国石油和化学工业联合会会长李寿生提出了同样的观点：“盐湖是青海最重要的资源，也是国家的战略资源。确立资源综合利用，发展循环经济，依靠技术创新，向制造业下游和高端产品延伸产业链，青海盐湖正在夯实循环经济的盐桥，不断延伸高质量发展的盐路，开创世界无机盐产业建设镁锂钾盐的中国高地。”

图1 实验一像控点分布

3.1.2 计算方案

方案A：使用摄区布设的全部像控点参与空三计算,像控点间距400 m~500 m。方案B：选取摄区四角和中心5 个像控点参与空三计算,像控点平均间距640 m。

3.1.3 精度统计

统计A、B两种方案处理数据生成三维模型的平面和高程精度,结果见表2。

表2 实验一三维模型精度统计结果

实验一两种计算方案三维模型实际中误差与规范[4]允许中误差对比见图2。

图2 实验一两种计算方案实际中误差与允许中误差对比

3.1.4对比分析

（1）就平面精度而言,航测平地1∶1000地形图,地物点平面位置允许中误差为±0.6 m。A和B两种方案统计的地物点平面位置中误差分别是±0.046 m和±0.124 m,均满足规范[4]要求。

（2）就高程精度而言,航测平地1∶1000地形图,等高距可以取0.5 m,也可以取1.0 m,相应的高程注记点高程允许中误差分别为±0.14 m和±0.30 m。A和B两种方案统计的高程注记点高程中误差分别是±0.130 m和±0.273 m,如等高距选0.5 m,则只有方案A精度满足规范[4]要求,如果等高距选1.0 m,则A和B两种方案精度都满足规范[4]要求。

3.2.1 摄区概况

摄区为黄土高原丘陵地形,面积约0.8 km2,最高海拔910 m,最低海拔800 m,最大高差110 m,需测制1∶500地形图。摄区按照不超过400 m的间距共布设12 个像控点,布设图见图3。摄区布设了6 个平面检查点和45 个高程检查点用于精度检验。由于摄区高差较大,将摄区分为两个分区进行倾斜摄影。起飞点高程810 m,一分区航高250 m,主要对山丘进行航摄,航向重叠度设为80%,旁向重叠度设为70%,摄影基线长度为45 m,航线间距为110 m；二分区航高170 m,主要对沟道进行航摄,航向重叠度设为70%,旁向重叠度设为60%,摄影基线长度为30 m,航线间距为85 m。摄区最低点影像地面分辨率为0.05 m。

图3 实验二像控点分布

3.2.2 计算方案

方案E：使用摄区布设的全部像控点参与空三计算,像控点间距300 m~400 m；方案F：选取实验区边界拐角处6 个像控点参与空三计算,相邻像控点最小间距为460 m,最大间

( )距680 m。

3.2.3 精度统计

统计E、F两种方案处理数据生成三维模型的平面和高程精度,结果见表3。

表3 实验二三维模型精度统计结果

实验二两种计算方案实际中误差与规范[4]允许中误差对比见图4。

图4 实验二两种计算方案实际中误差与允许中误差对比

3.2.4 对比分析

（1）就平面精度而言,航测丘陵地1∶500 地形图,地物点平面位置允许中误差为±0.3 m。E和F两种计算方案统计的地物点平面位置中误差分别是±0.073 m和±0.166 m,均满足规范[4]要求。

（2）就高程精度而言,航测丘陵地1∶500 地形图,等高距可以选0.5 m,也可选取1.0 m,相应的高程注记点高程允许中误差分别为±0.20 m和±0.40 m。E和F两种计算方案对应的高程注记点高程中误差分别是±0.128 m和±0.363 m,若等高距取0.5 m,则只有方案E精度满足规范[4]要求,若等高距取1.0 m,则E和F两种方案精度都满足规范[4]要求。

4 结语

本文对通过两个实验分别对基于Phantom 4 Pro无人机的平地1∶1000倾斜摄影和丘陵地1∶500 倾斜摄影使用不同密度像控点处理数据的成果精度进行对比研究,得出以下结论：

（1）在摄区像控点布设密度适当的情况下,基于Phantom 4 Pro单镜头多旋翼无人机的倾斜摄影成果数据,精度满足生产平地、丘陵地乃至山地1∶500、1∶1000、1∶2000地形图的要求。

（2）测图比例尺和测图等高距限定了航测地形图平面和高程允许中误差,进而影响无人机倾斜摄影测量中像控点布设密度的确定。允许中误差越小,精度要求越高,像控点布设密度应越高。

（3）针对Phantom 4 Pro这一机型,测量1∶500 地形图,测区相对航高宜在150 m~180 m选择,如测图等高距取0.5 m,建议按350 m间距布设像控点,如测图等高距取1.0 m,建议按500 m间距布设像控点；测量1∶1000地形图,测区相对航高宜在250 m~300 m选择,如测图等高距取0.5 m,建议按照500 m间距布设像控点,如测图等高距取1.0 m,建议按照650 m间距布设像控点。