基于无人机倾斜摄影测量的像控点布设方案及精度分析

基于无人机倾斜摄影测量的像控点布设方案及精度分析

魏燕兴

阳泉市自然资源卫星应用技术中心

山西省阳泉市   045000

摘要：无人机倾斜摄影测量技术以其简单、灵活、方便的特点，在空间三维数据采集中得到了迅速发展，在施测阶段使用无人机倾斜摄影的重要步骤之一是像控点的布设。

关键词：无人机；倾斜摄影测量；像控点布设；精度

作为无人机倾斜摄影测量重要环节之一，像控点布设决定了区域网中空三加密精度与后续生产中获得的模型精度。早期的相关法规和研究并未明确定义无人机倾斜摄影测量，因此需研究探索基于无人机倾斜摄影测量技术的像控点布设。

一、无人机倾斜摄影测量技术

无人机是指无人驾驶飞行器，其上装有飞控导航系统，配合地面站控制系统进行飞行任务。无人机倾斜摄影测量技术是利用五镜头相机进行摄影测量的一项技术，利用高分辨率传感器获取目测区范围内地物真实纹理信息，记录获取影像瞬间，飞行器的姿态角及其地理坐标信息，后期再通过摄影测量数据处理软件对影像进行处理后生产三维模型。其特点包括：①作业便捷，限制小。能在低空作业，申请空域简单，能在多种天气作业，起降灵活便捷；②人工干预少，飞行任务可根据设置参数进行，自动化数据采集过程可降低操作难度，后期数据处理也主要依靠计算机进行；③高分辨率，低空作业加高分辨率传感器的组合，使无人机倾斜摄影采集的地面分辨率可达0.05m，完全满足大比例尺地形图的测图精度要求；④成本低，与传统遥感数据获取平台相比，无人机本身成本低，结构简单，对操作人员要求低，且完全能保证作业人员安全。

二、像控点布设原则及精度指标

1、空中三角测量精度指标。在完成区域网平差计算后，根据《数字航空摄影测量空中三角测量规范》对空三平差解算精度要求，对空三平差解算精度进行检验，以确定其是否符合标准要求。

2、三维模型精度指标。像控点布设数量和方法决定了3D模型的精度。根据《三维地理信息模型数据产品规范》中对三维模型结果精度的要求，对项目中通过倾斜摄影测量生产获得的三维模型精度进行检验，以确定其是否符合标准要求。

三、无人机倾斜摄影像控点布设

选择一个典型区域作为试验区，充分考虑了所需成果数据和测区地形。基于像控点布设原则，设计不同的像控点布设方案，通过对其的试验，得出了不同布设方案对结果数据准确性的影响结果。

1、试验区概况及航摄参数。某试点区多为农村民居房屋，交通便利，地势平坦，属平原地形。试验区春冬季湿度低，夏秋季湿度大，四季分明，属温带季风气候。采用SONY-QX100数码相机进行航摄，获得遥感图像。相机CCD尺寸为36mm×54mm，焦距30mm，可伸缩镜头，相机分辨率为5472×3648像素，有效像素2020万。

2、像控点布设方案。试验共使用4种像控点布设方案，以获得满足结果准确性的最优像控点布设方案。各方案在满足像控点布设基本原则下，将像控点布设在自然明显处，并选取高程变化小的区域，便于测量定位。方案1：在区域网四角布设四个像控点；方案2：在区域网中心及四角布设5个像控点；方案3：在方案2基础上，在区域网四角间密集增加一个像控点；方案4：参照低空摄影测量规范，试验通过使用航空摄仪器和参数计算，在旁向按不超过8条航线、航向不多于16条基线布设像控点。

四、内业数据处理

试验航摄飞行一个架次，完成48条航线飞行，每条航线平均基线数120条，采集33600张像片。经高精度RTK技术采集66个特征点作为像控点和检查点。

以无人机航摄采集的影像数据为数据源，导入ContextCapture Center软件，使用地面控制点约束能执行空中三角测量的平差解算。在区域网基础上将POS数据、影像数据和相机参数加载到项目中，进行密集的多视点特征点匹配，并利用多视影像联合约束平差解算，建立可自由变形三维模型，完成相对定向。利用像片控制点结果对三维模型进行约束平差计算，获得三维模型精确的大地坐标，完成绝对定向，在满足空三平差解算精度要求同时，进一步生成倾斜模型。

五、试验结果

试验设计了四种像控点布设方案，并将每种布设方案控制点添加到空三加密中，以进一步生成倾斜模型。为评估空三与模型准确性，未作为像控点的控制点被用作空三和模型准确性检查点进行中误差统计。在软件中测量四个模型结果中检查点对应的同名点坐标，使用RTK观测到的检查点坐标作为检查真值，并使用从模型中量测的点坐标作为检查点观测值。使用中误差计算得到四个三维模型的中误差。

实验中，采用高精度RTK测量技术采集了外业66个控制点，根据不同像控点布设方案的控制约束要求，将必要点作为像控点外，其余点作为检查点。四种像控点布设方案得到的相应空三平差解算最大中误差为0.056m，可满足《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中1:500比例(平地)平面精度要求；由方案2、3、4获得的相应空三平差解算高程最大中误差为0.134m，可满足《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中1:500比例(平地)高程精度要求。方案1高程残差大，中误差达到0.702m，已不能满足1:10000空三平差解算精度要求。在方案1基础上，方案2在区域网中心增加了一个像控点，虽然平面精度的提高相对较小，但高程精度得到了显著提高，残差变化稳定，收敛效果好。在方案2基础上，方案3在区域网四边中心各增加一个像控点，与方案2相比，平面精度和高程精度都略有提高。根据低空航空摄影测量规范，经计算，方案4按8条旁向路线、16条航向基线要求布设像控点，方案4在方案3基础上提高了平面及高程精度。

本实验同时采用高精度RTK采集了实验区18个模型检查点，检验了不同像控点布设方案生成的模型准确性。模型结果精度与空三平差解算精度基本一致，模型结果平面最大中误差0.085m，能满足《三维地理信息模型数据产品规范》对模型结果平面一级精度要求。从方案2、3和4获得的相应模型结果的高程最大中误差为0.199m，可满足《三维地理信息模型数据产品规范》中一级高程精度要求，方案1模型结果误差为0.815m，已不满足《三维地理信息模型数据产品规范》中二级高程精度要求。

通过分析四种像控点布设方案获得的空三精度和模型结果精度，发现平面精度不像高程精度那样受像控点个数影响大，即使在像控点稀疏情况下，平面精度也能满足规范要求。但高程精度会随像控点位置分布和数量变化而显著变化，将方案2与方案1比较可知，即使只增加一个控制点，方案2高程精度也有显著提高。

六、结论

本文重点研究了无人机倾斜摄影测量中像控点不同布设方案对空三平差解算精度和模型结果精度影响。使用SONY—QX100数码相机采集实验区影像数据，并采用四种像控点布设方案进行数据处理。通过检查点对空三解算精度及模型结果精度检验、比较。

1、由于使用无人机采集像片数据量大，因此使用倾斜摄影测量数据处理软件进行数据解算更合理。方案2在区域网4个角点及中心位置布设5个像控点，可满足1:500精度要求，避免了按现有低空摄影测量标准布设像控点增加外业工作量。

2、在方案2像控点较少工况下，空三解算精度和模型结果精度能满足相关规范要求，所以方案2可应用于实景三维模型生产相关项目。

3、当前，利用倾斜三维模型进行数据采集技术和方案相对成熟，下一步要论证分析基于模型生产的地形图精度，为日后基于倾斜模型的相关产品生产提供精度基础。

参考文献：

[1]朱进.控制点布设对无人机影像空三精度的影响[J].测绘科学,2016，41(05):116-120.

[2]吴昊.无人机倾斜摄影像控布点方案研究及精度分析[J].测绘通报,2021(05):102-105，110.