无人机航测像控点布设方案探讨

李真真,陈 虎

(1.苍穹数码技术股份有限公司,湖北 武汉 430073;2.中石化江汉石油工程设计有限公司,湖北 武汉 430223)

0 引言

随着科学技术的不断发展,低空无人机航空摄影测量以其机身小巧、操作灵活、成本低、起降方便、便于转运等优点被广泛采用,已经成了空间数据获取的重要手段[1],在测绘行业发挥着越来越重要的作用。这种手段适用于快速获取小面积、高精度的大比例数字地图,可以降低外业工作强度、节省外业工作量、提高工作效率。

像控点布设和测量是航空摄影测量的重要工作,也是成果文件的定位基础,直接影响最终交付产品的精度指标。同时,像控点布设是现场消耗时间和人力物力比较多的工作之一,也影响着项目的成本和效益。近年来,随着无人机定位技术的进步和相机精度的提高,相对于传统航空摄影测量,无人机航空摄影测量对像控点数量的要求有所下降,有些无人机标称已达到免像控测量,但对于精度要求较高的工程项目而言必须布设野外像控点[2]。像控点布设方案直接影响最终精度和工作效率,增加像控点的数量有利于提高空三解算的精度,但如果像控点自身测量精度不一致且位置不合理,空三解算精度反而会随着像控点数量的增加而降低[3]。在满足大比例尺测图精度要求的前提下,为保证合适的效率和经济效益,选择适合的像控点布设方案也就成了实际工作中遇到的难题。

本文以像控点布设方案为研究对象,结合某工程实例,采用大疆精灵4 RTK(Phantom 4 RTK)小型多旋翼高精度航测无人机进行作业。其搭载1英寸CMOS,相机有效像素2 000万,具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统,集成RTK 模块,拥有精准定位能力,提供实时厘米级定位数据,同时支持 PPK 后处理,并可通过无线网卡或Wi-Fi热点与NTRIP连接。在航飞范围内布设多个地面像控点并将它们进行分组,每组内含有不同数量的像控点和检查点,通过内业计算软件大疆智图进行空三解算和区域网平差,得到不同分组对应的空三结算结果,对此结果进行分析比较,探讨不同像控点布设方案对精度输出的影响。

1 像控点布设

1.1 像控点布设原则

在测区布设像控点是为了使无人机影像和地面坐标系建立联系,将相片空间坐标纠正到地面坐标系中,保证最终二、三维航飞成果的地理精度,便于后期制作地形图等图件。像控点布设的基本原则有:像控点宜均匀地布设在测区范围内,像控点的目标影像应清晰,易于判刺和立体量测。像控点应能公用,单航线宜布设在航向3片重叠范围内,多航线宜布设在航向及旁向6片或5片重叠范围内,并确保像控点在相邻各片的影像清晰。高程控制点点位目标应选在高程起伏较小的地方,以线状地物的交点和平山头为宜;狭沟、尖锐山顶和高程起伏较大的斜坡等均不宜选作点位目标。像控点点位距相片边缘不应小于150像素。测区四角及航线交叉处应布设像控点。位于自由图边、待成图边以及其他方法成图的图边控制点应布设在图廓线外[4]。

1.2 像控点布设方法

像控点可在航飞作业实施前进行布设。利用油漆、沾标板和胶带等材料在无遮挡的地面设置像控标志,这种做法能够得到比较明显的像控点,便于后期测量坐标和刺点,但也存在像控点丢失、压盖等风险,影响最终像控点数量。

像控点可在航飞作业实施后进行布设。航飞完成后,通过影像判读刺点,合理布局像控点位置,可以是道路标线、路口或线状地物交点等,再安排人员到现场对像控点坐标进行采集。这种方法可大大减少外业布控的时间,但精度和判读的准确性不如航飞前布设像控点[5]。

除此之外,在实际工作中,工程人员往往结合上述两种方法,先布设少数人工像控点,在采集这些控制点坐标的过程中,根据经验对沿途道路标线、路口或线状地物交点等位置进行坐标采集。这些点在内业处理过程中可作为像控点或者检查点参与空三解算,从而提高精度,也便于检查最终结果的可靠性。

1.3 像控点测量

像控点测量可采用光电导线或GNSS-RTK等测量方法,GNSS-RTK测量技术又分为单基站RTK和网络RTK。单基站RTK要求基准站设在地势相对较高、无强烈干扰或阻碍接收卫星信号的位置,流动站距基准站的距离不宜超过10 km,电台频率不应与测区其他无线电通信频率冲突。网络RTK以其单人单机作业、携带方便等优势逐渐成了主流测量方式,它要求测量仪器位于网络有效覆盖范围内。无论哪种测量方法都应在开阔地带进行流动站的初始化,接收卫星不应少于5颗,PODP值应小于6,当获得固定解后应检测2个以上的控制点,检测结果不大于相关规范中的规定,然后再进行测量作业。

像控点测量精度对最近等级控制点的平面位置中误差应小于地物点平面位置中误差的1/5,高程中误差应小于基本等高距的1/10。

2 实验实施与分析

某工程位于湖北省枣阳市在建高速公路工地,地形分类属平原地区,根据设计要求需测绘1∶500地形图,测图范围为中轴线两侧各200 m。利用大疆精灵4 RTK无人机进行外业航飞作业。

根据规范要求,影像地面分辨率(GSD)需优于5 cm,为确保地物在三维模型中清晰可辨,地理位置精度可靠、达标,相对航高利用公式进行计算。

H=f×GSD/a

式中,H为相对航高,f为摄影镜头的焦距,GSD为影像的地面分辨率,a为像元尺寸的大小。

本工程设计航高150 m,对应影像地面分辨率为4.1 cm,满足规范要求。航向重叠度80%,旁向重叠度60%,飞行当天天气晴朗,能见度高。在工程矩形区域内共飞行10个航带,拍摄照片413张。

根据本文上述像控点布设原则、方法等要求,在航飞工作开始前,在现场利用油漆和地面固定标志共布设像控点15个,以保证后期进行实验分组时对像控点数量的要求。

无人机航测外业完成后,采用内业处理软件大疆智图通过光束法进行空中三角测量,由于大疆无人机拍摄的影像已将POS数据融合入照片,照片导入大疆智图后直接加入像控点坐标进行刺点和空三优化,完成区域网平差,由软件生成空三报告,可通过调整控制点和检查点数量来评估空三质量,找到能够满足规范精度要求时需使用的控制点数量。

《油气田工程测量标准》(GB/T 50537—2017)[4]要求测区四角及航线交叉处应布设像控点,本次实验在测图区域内按以下5个方案分别布点:方案一在测区四角布4 个像控点;方案二在测区四角和中间布5个像控点;方案三在测区四角和中间布6个像控点;方案四在测区内均匀布设8 个像控点;方案五在测区均匀布设11 个像控点。每种方案剩余其他点作为对应方案的检查点,通过对比分析各方案检查点中误差来优选控制点布点方案和数量。

以《油气田工程测量标准》(GB/T50537—2017)航空摄影测量空中三角测量1∶500检查点平面位置精度中误差0.175 m、高程精度中误差0.15 m为最大限值,对像控点不同布设方案的区域网平差解算结果进行统计分析,结果如表1所示。

表1 不同布点方案精度统计

从上表数据可以看出:方案一在四周布点的方式检查点高程中误差超限,方案二至方案五的检查点平面中误差和高程中误差都满足规范要求,方案三至方案五中随着像控点数量的增加空三解算精度并没有提高很多,反而在方案五中精度出现了下降,说明增加像控点数量并不能无限制提高精度。在均匀分布的前提下,方案二和方案三都得到了很好的精度结果。

3 结语

在满足规范和工期要求下,按照方案二、三均匀布设像控点能够得到较好的精度指标。并且方案二、三中仅使用5～6个像控点,比方案四和方案五少布设3～6个像控点,在外业工作中也节约了时间、人力、物力,能够获得更好的经济效益。像控点数量能够直接影响空三精度和最终模型精度,控制点在四周和中间均与布点时精度最高,随着控制点数量的增加,平面精度和高程精度不一定会随之增高,按照方案二、三中布点方案为这一类航飞项目的最优像控点布设方案。

在实际工作中,影响空三精度的因素有很多,如刺点精度、像控点可辨识度、飞行高度、天气情况等,本文也仅对一个工程进行实验分析,今后将进一步实验探讨其他因素,以期对无人机航测工作提供有益参考。