像控点布设对无人机倾斜摄影测量精度的影响

孙瑶 吴定邦 杨智翔 黎广

摘要：无人机倾斜摄影测量成果精度取决于空三精度，地面像控点的分布和数量对空三精度起决定性作用，且条带状区域不同于块状区域，像控点布设具有一定局限性。通过对比5种像控点布设方案，得出适合于条带状区域的无人机倾斜摄影测量像控点最优布设方案：在保证像控点旁向间距的前提下，最优的航向间距设置为1 km，即可实现在保证成果精度的前提下，减少内外业工作量，提升生产效率。

关键词：无人机倾斜摄影测量； 三维建模； 条带状区域； 像控点布设； 精度分析

中图法分类号： P231

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.022

0引 言

区别于无人机垂直摄影测量，无人机倾斜摄影测量从多角度对地面信息进行采集，可得到更为全备的地面信息，逐渐成为快速获取三维场景的重要手段。目前，行业内无人机倾斜相机以5镜头居多，意味着倾斜相机的每次曝光都将产生5倍于传统相机的数据量，且5张影像的姿态各异。相较于传统摄影测量，倾斜摄影测量的影像处理过程更为繁琐，同时也增加了一定的不确定性［1-2］。

影响无人机倾斜三维模型成果精度的因素有多种，其中像控点的布设方案对精度影响最为重大。针对像控点布设对无人机摄影测量精度影响的研究，目前以分析无人机垂直摄影测量为主，朱进等研究了控制点布设对无人机影像空三精度的影响，提出一种最佳布点方案：四周均匀布设平高点、四角布设成点组，加少量内部控制点，在保证精度的前提下，地面像控点数量最少［3］。王同行等研究了地面控制点布设对海岸带无人机遥感影像的精度影响，验证了采用多排均匀布设控制点方法能有效提高遥感图精度，拼接成图质量最优［4］。周旺辉等分析了控制点布设对低空小型无人机高分影像精度的影响，得到最优的布点方案：测区四周均匀布设控制点，少量内部控制，相较于传统的航摄布点方式，该方式精度高、数量少［5］。王朝辉等对无人机倾斜摄影测量中的像控布点方案进行研究分析，提出在规则的块状区域中，五点像控法能基本满足其1∶1 000精度的要求，九点像控法能基本满足1∶500精度的要求［6］。上述所提及的研究均验证了一个结论：无人机航摄影像后处理流程中，空三精度最弱点位于航摄区域外围，航摄区域内部精度高而且均匀，四周需要采用控制点进行约束才能保证成果精度。以上研究均具有局限性，主要表现在以下3点［7-10］：

① 研究对象大多为块状区域，缺少对诸如河流、道路以及管道等条带状区域的精度分析；

② 选择测区的面积较小，包含的地物信息有限，代表性不够强；

③ 侧重于对无人机垂直摄影测量进行精度分析，在像控点布设对无人机倾斜摄影测量的精度影响研究较少，尤其是针对条带状区域的无人机倾斜摄影测量精度影响研究更少。

基于此，本文通过对无人机倾斜摄影测量的技术原理进行分析，结合条带状区域的特点，分析像控点的分布和密度对空三及模型精度的影响。由于条带状区域的限制，本文主要侧重于分析不同密度下的像控点布设对成果精度的影响，从而得出适合于实际生产的布点原则，在保证成果精度的前提下，尽可能地减少内外业工作量，对于提升生产效率具有一定参考意义。

1试验区数据获取

1.1试验区及航摄设备情况

试验区为一段城市快速路，位于广东省深圳市龙岗区内，属于深圳市南坪快速路第3期建设工程，西起水官高速公路横坪立交，东至铜锣径水库东侧隧洞（图1）。

测区面积约为1.42 km2，测区内主要分布有工业园区、低矮山地及住宅楼，测区属于丘陵地区。本文航摄数据获取采用的航摄系统为飞马D2000型四旋翼无人机搭载D-OP3000五镜头倾斜相机。设备主要参数见表1～2。

1.2航摄技术设计及航线规划

D2000型无人机具备变高飞行功能，要实现无人机精准的变高飞行需要基于准确的DSM进行航线规划，由于飞马无人机航线规划软件并不支持高精度的DSM数据，兼容性最好的DSM分辨率为10 m，致使用于规划航线的DSM数据不能将影响航飞安全的高层楼房及高压线塔等较为突兀的地物有效完整地表现出来，这将会给飞行安全造成极大隐患。

基于此，为了保证安全飞行，本次航摄任务分为两个区块进行航摄数据采集。

（1） 对于存在高住宅楼地区，楼高在100～120 m不等，采用相对航高150 m的常规航线，对应地面分辨率为2.3 cm。

（2） 在工业园及低矮山地区域采用变高飞行模式，在任务航线规划之前，采用大疆精灵四RTK无人机采集试验区及外扩一定区域的影像，通过处理软件生成试验区分辨率为10 m的DSM数据，将DSM数据导入航线规划软件中，生成变高航线，变高航线的相对航高设置为125 m，对应地面分辨率为2 cm。

航线按照平行于线路方向布设，为东西向布设，航向重叠度为80%，旁向重叠度为75%，航飞速度设置为10 m/s，当相机曝光时间为1/1 200 s时，造成的像移为0.83 cm，当相机曝光时间为1/1 000 s时，造成的像移为1 cm。

为保障影像质量，像移量需要小于0.5个像素。由此可知，当飞行速度为10 m/s时，相机曝光时间不得大于1/1 000 s。

1.3像控点布设方案

按照最新版规范中像控点布设要求，其中带有GNSS/IMU辅助航摄区域网的布点方案如表3所列。

结合本次航摄的设计参数，通过计算可知，规范中要求的航向相邻控制点最大间距为192 m，旁向相邻控制点的最大间距为180 m。本次试验严格按照规范要求布设像控点，试验的条带状测区较为平直，在垂直于线路走向上靠近测区边缘成对布设像控点，并依次递增平行于线路方向上像控点的间距，远离线路中线的突出部则按照规范要求加密控制点，以探索出在保持成果精度不变的情况下，像控点在平行于线路方向上的最佳布设间距。

测区位于城区，道路众多，大多数道路上均涂有交通标识线，绝大部分像控点采用地面上已有的交通标识线角点。角点明显易于内业判刺、稳定不易破坏、点位周边高程变化较小，少部分采用地面喷涂标识点位。

像控点及检查点测量采用网络RTK方式，参照工程测量标准中的图根点精度要求施测，试验区共计布设82个像控点，8个检查点。82个像控点沿线均匀布设，8个图根检查点均匀分布在测区中。

本次试验在保持旁向相邻控制点的间距满足规范要求的前提下，以航向相邻控制点为变量，分别设置了190，500，1 000，1 500，2 000 m间距，如图2所示。

方案一：像控点航向间距为170～190 m，旁向间距为160～180 m，共布设像控点合计82个；

方案二：像控点航向间距为480～520 m，旁向间距为160～180 m，共布设像控点合计30个；

方案三：像控点航向间距为980～1 020 m，旁向间距为160～180 m，共布设像控点合计17个；

方案四：像控点航向间距为1 480～1 520 m，旁向间距为160～180 m，共布设像控点合计10个；

方案五：像控点航向间距为1 980～2 020 m，旁向间距为160～180 m，共布设像控点合计8个。

2内业数据处理

该试验区一共飞行3个架次，恒定高度一个架次，变高飞行两个架次，共采集影像31 250张，影像整体质量良好。

采用ContextCapture Center软件系统进行倾斜三维模型构建。ContextCapture Center软件系统对于大范围的倾斜三维模型构建有着很强的适应性，其建模流程为：将影像数据、POS数据、像控点数据进行整理汇总，导入ContextCapture Center软件中；经多视影像匹配对每张影像提取相当数量的连接点，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立空间尺度上可适度自由变形的立体模型，完成相对定向；以影像POS数据和像控点作为初始输入值，通过迭代计算后得到精准的影像内外方位元素及相机的畸变参数，完成绝对定向；通过获得的畸变参数对影像去畸变处理后，基于去畸变的影像由密集匹配算法形成密集点云，利用密集点云进行构网，经平滑和简化等处理，即生成数字表面模型，也称白膜，最后将纹理映射到白膜上，实现测区实景三维模型的构建。

3精度分析

无人机倾斜摄影测量的精度评定主要包含空三精度及模型成果精度两块内容。运用前述像控点布设方案对区域网进行约束，空三平差解算后，以未参与平差的像控点和检查点进行残差及中误差统计，对空三平差解算成果进行精度评定。在模型生产完成后，利用未参与平差的像控点和检查点对生产的实景三维模型成果进行检查和误差统计，进行模型成果精度评定［6］。

本次试验的空三平差精度及模型成果精度两项指标统计如表4所列。

模型精度统计如图3所示，对比表4和图3，可以发现：

（1） 随着像控点密度的降低，空三及模型精度都出现不同程度的下滑，平面精度下滑的程度较为轻微，而高程精度受像控点密集程度的影响较大。

（2） 当像控点的航向间距在1 km之内时，随着像控点密度的增加，平面及高程精度均较为稳定，并无明显变化，且可以达到1∶500的测图精度要求；当像控点航向间距超过1 km时，随着间距的增加，平面精度维持在一定范围内，高程误差则成倍数增加。

（3） 表中模型最大残差所处的位置均位于远离线路中线的突出部。当在突出部按照规范布设像控点时，突出部的精度可以得到有效提升。

4结 语

本文探索了适合于条带状区域无人机倾斜摄影测量的布点方案，控制像控点旁向间距，通过对比5种不同像控点航向间距的布点方案，得出在保持精度的前提下，布设像控点的最优间距为1 km。过多的像控点不但大大增加外业和内业的工作量，而且对于模型精度的提高并无明显作用，性价比不高。

在实践中，还发现对于条带状区域的突出部，需要增加像控点进行精度控制，才能保证远离线路中线突出部的精度与线路中线附近的精度相近。下一步工作方向为：对比分析常规航线和变高航线两种不同的影像采集方式对后期成果精度的差异性影响。

参考文献：

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［4］王同行，王衍，张金华，等.地面控制点布设对海岸带无人机遥感影像的精度影响分析［J］.测绘与空间地理信息，2016，39（7）：97-100.

［5］周旺辉，蔡东健，甄宗坤.控制点布设对低空小型无人机高分影像精度的影响［J］.测绘通报，2017（增1）：69-74.

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［9］王英，肖中星，钱恒湘，等.基于倾斜摄影三维模型的内业成图方法研究［J］.人民长江，2020，51（增2）：91-93.

［10］沙红良，陆德中，付康，等.融合无人机LiDAR与摄影测量的河道地形测绘方法［J］.人民长江，2023，54（4）：157-162.

（编辑：刘 媛）