作者：朱進(jìn)，丁亞洲，陳攀杰，王新安，郭丙軒，肖雄武，牛科科

摘　要：針對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)按照傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方式，不僅需要較多的控制點(diǎn)，而且實(shí)施起來(lái)不太便利的缺點(diǎn)，提出了一種適合無(wú)人機(jī)航測(cè)的最優(yōu)布點(diǎn)方案。通過(guò)對(duì)6種無(wú)人機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)方案(傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方案和5種適合無(wú)人機(jī)航測(cè)的布點(diǎn)方案)進(jìn)行空三精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該布點(diǎn)方案精度最高，與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方式相比，其不僅實(shí)施方便，而且需要的控制點(diǎn)數(shù)量要少，大大減少了內(nèi)、外業(yè)工作量。該方法的意義在于較好地解決了無(wú)人機(jī)航測(cè)因像幅小、重疊度不規(guī)則而導(dǎo)致的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作量大的難題。

關(guān)鍵詞：控制點(diǎn)布設(shè);空三精度;無(wú)人機(jī)影像

0　引言

無(wú)人機(jī)(unmanned　aerial　vehicle，UAV)航測(cè)影像像幅小，且易受飛行質(zhì)量影響，暫時(shí)還難以達(dá)到傳統(tǒng)的空三測(cè)量水平，采用傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方式，不但控制點(diǎn)數(shù)量多，而且實(shí)施起來(lái)比較困難，因此，無(wú)人機(jī)影像控制點(diǎn)的布設(shè)不能完全使用傳統(tǒng)航測(cè)的布設(shè)方式[1-2]。現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)航測(cè)成圖的基本方法主要可分為兩類：①GPS輔助無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)航測(cè)成圖[3-5];②針對(duì)無(wú)人機(jī)影像特點(diǎn)參照傳統(tǒng)的攝影測(cè)量流程進(jìn)行的處理[6-9]。目前，方法②應(yīng)用較多，如蘇世偉和汪云甲提出控制點(diǎn)立體、均勻分布在測(cè)區(qū)，加強(qiáng)測(cè)區(qū)邊沿的控制點(diǎn)布設(shè)方案精度較高[10];祝曉坤、張海濤等人提出利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)選擇合理的空三布點(diǎn)方案[11];喬煒等人提出像控點(diǎn)布點(diǎn)基線為12～13條的密集布點(diǎn)案[12]。

針對(duì)方法②中一般按照均勻布設(shè)控制點(diǎn)方式，需要較多的控制點(diǎn)，而且實(shí)施不便利等不足，本文通過(guò)總結(jié)無(wú)人機(jī)航測(cè)外業(yè)控制與成圖精度的關(guān)系[13]，分析控制點(diǎn)的分布和密度對(duì)其影響，對(duì)均勻布設(shè)做了一些調(diào)整，從而選取一種適合無(wú)人機(jī)航測(cè)的最優(yōu)控制點(diǎn)布設(shè)方案。它的意義在于不僅較好的解決了無(wú)人機(jī)航測(cè)因像幅小、重疊度不規(guī)則而導(dǎo)致的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作量大的難題，而且對(duì)于提高無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量成圖精度有一定的參考意義和價(jià)值。

1　無(wú)人機(jī)航測(cè)的控制點(diǎn)布設(shè)

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)與傳統(tǒng)航測(cè)的區(qū)別

1)無(wú)人機(jī)影像像幅小、影像數(shù)據(jù)量大，使得內(nèi)業(yè)和外業(yè)的工作量加大，效率低。

2)航向重疊度不規(guī)則：由于無(wú)人機(jī)影像傾斜角過(guò)大且傾斜方向沒(méi)有規(guī)律，造成航向重疊度不規(guī)則、灰度不一致，使得影像匹配難度大，精度低。

3)旁向重疊度不規(guī)則：由于飛行航線呈曲線、旋偏角大，使得影像的旁向重疊度不規(guī)則，這對(duì)于連接點(diǎn)的提取和布設(shè)增加了難度。

所以，傳統(tǒng)航測(cè)采用的航向3條基線布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，航區(qū)按四排平高點(diǎn)設(shè)計(jì)布設(shè)控制點(diǎn)，即在6°重疊區(qū)(航帶內(nèi)3°重疊，航帶間2°重疊區(qū))布設(shè)控制點(diǎn)的方式并不適合無(wú)人機(jī)航測(cè)[14]。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)人機(jī)航測(cè)適合采用均勻布設(shè)控制點(diǎn)的方式[2]。我們通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)的密度和分布來(lái)選取一種適合無(wú)人機(jī)航測(cè)空三解算的最優(yōu)控制點(diǎn)布設(shè)方案。

1.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)布設(shè)控制點(diǎn)的原則

根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)的特點(diǎn)，我們按照以下原則對(duì)其進(jìn)行布設(shè)控制點(diǎn)。

1)在區(qū)域的四周布設(shè)平面控制點(diǎn)，在區(qū)域較大時(shí)，可以采用點(diǎn)組形式布設(shè)(對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影，點(diǎn)組一般是指控制點(diǎn)之間的距離相離200～300m的幾個(gè)點(diǎn)，有利于提高整體精度。

2)高程控制點(diǎn)應(yīng)布成鎖形。在高精度加密平面點(diǎn)位時(shí)，仍需要布設(shè)適當(dāng)?shù)母叱炭刂泣c(diǎn)，以保證模型的變形不一致對(duì)平面坐標(biāo)產(chǎn)生影響，如果旁向重疊比較小時(shí)(低于40%)，每條航線兩端必須各有一對(duì)高程控制點(diǎn)或點(diǎn)組。

3)如果用地面測(cè)量觀測(cè)值代替或加強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)的控制點(diǎn)，則有關(guān)平面的觀測(cè)值(如距離、水平角、方位角等)最好布在區(qū)域周邊或四周，有關(guān)高程的相對(duì)觀測(cè)值(如高差、高度角等)應(yīng)平行于航帶方向布設(shè)[15-16]。

2　無(wú)人機(jī)航測(cè)控制點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)比分析

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)控制點(diǎn)布設(shè)方案

圖1 傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航測(cè)

若采用傳統(tǒng)航測(cè)的布點(diǎn)方式(如圖1所示)，不但要求的控制點(diǎn)多，而且實(shí)施起來(lái)比較困難[1-2]，性價(jià)比不高，無(wú)人機(jī)航測(cè)中，我們一般不用這種方法。本文根據(jù)上述無(wú)人機(jī)航測(cè)布設(shè)控制點(diǎn)的特點(diǎn)和原則，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下6種無(wú)人機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)方案：

1)采用四角單點(diǎn)布點(diǎn)方式(圖2(a))：即只在測(cè)區(qū)的四個(gè)角布設(shè)控制點(diǎn)。

2)采用四角點(diǎn)組布點(diǎn)布點(diǎn)方式(圖2(b))：即把測(cè)區(qū)的四角布設(shè)成點(diǎn)組的形式。

3)四周均勻布設(shè)，邊角不加密(圖2(c))：即在測(cè)區(qū)四周按照一定密度均勻布設(shè)控制點(diǎn)。

4)采用四周邊均勻布設(shè)，四角點(diǎn)組布點(diǎn)方式(圖2(d))：即在測(cè)區(qū)四周按照一定密度均勻布設(shè)控制點(diǎn)，邊角處采用點(diǎn)組布設(shè)。

5)采用四周邊均勻布設(shè)加少量?jī)?nèi)部點(diǎn)的布設(shè)方案(圖2(e))：即在測(cè)區(qū)四周采用均勻布設(shè)控制點(diǎn)的方式，使用少量的內(nèi)部控制點(diǎn)。

6)采用四周邊均勻布設(shè)，四角點(diǎn)組布點(diǎn)，加少量?jī)?nèi)部點(diǎn)的布點(diǎn)方式(圖2(f))：即在測(cè)區(qū)四周均勻布設(shè)控制點(diǎn)，邊角處采用點(diǎn)組布設(shè)。

圖2 適合無(wú)人機(jī)航測(cè)的6種布設(shè)方案

2.2 無(wú)人機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)實(shí)驗(yàn)

在控制點(diǎn)分布與密度對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)空三精度影響的研究中，我們選取了6種典型的布設(shè)方案，進(jìn)行成果精度的分析和對(duì)比。以湖北省咸寧某區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，展開(kāi)無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取該區(qū)域的無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)序列，圖3為實(shí)驗(yàn)區(qū)域無(wú)人機(jī)影像航帶圖和控制點(diǎn)分布圖，表1為作業(yè)區(qū)的相關(guān)信息。要求作業(yè)區(qū)的控制點(diǎn)精度相同，每個(gè)控制點(diǎn)都可以作為平高控制點(diǎn)，且每個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)精度也滿足作為平面控制點(diǎn)的精度，同時(shí)高程坐標(biāo)的精度也滿足單獨(dú)作為高程控制點(diǎn)的精度。本文通過(guò)對(duì)32個(gè)不同的控制點(diǎn)布設(shè)方案的對(duì)比研究，來(lái)說(shuō)明3種典型布設(shè)方案的優(yōu)劣，找出無(wú)人機(jī)航測(cè)在滿足精度的要求下最省外業(yè)的測(cè)量方法，為無(wú)人機(jī)更好應(yīng)用和提高無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量成圖精度提供有意義和有價(jià)值的參考。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域無(wú)人機(jī)影像航帶圖和控制點(diǎn)分布圖

表1 無(wú)人機(jī)攝影數(shù)據(jù)相關(guān)信息

2.3 像控點(diǎn)布設(shè)與空三實(shí)驗(yàn)

1)采用四角單點(diǎn)的布點(diǎn)方式，即只在區(qū)域的四角布設(shè)6平高控制點(diǎn)(點(diǎn)b02，b03，b05，b07，b19，b21)，圖4(a)中三角所標(biāo)示的為控制點(diǎn)(下同)，其余的26個(gè)為量測(cè)控制點(diǎn)，被設(shè)為檢查點(diǎn)。經(jīng)光束法平差計(jì)算可得四角6個(gè)平高控制點(diǎn)與區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部26個(gè)檢查點(diǎn)的殘差分布，如圖4(a)其中圓圈的半徑代表控制點(diǎn)上高程的殘差絕對(duì)值大小，而從圓心出發(fā)的射線的長(zhǎng)度和方向表示控制點(diǎn)上X與Y 殘差的向量之和(下同)。

2)采用四角點(diǎn)組的點(diǎn)組布點(diǎn)方式，即在區(qū)域的四角布設(shè)平高控制點(diǎn)(點(diǎn)a1，a2，b01，b02，b03，b05，b07，b19，b21)，且布設(shè)成點(diǎn)組形式，其余的23個(gè)量測(cè)控制點(diǎn)，被設(shè)為檢查點(diǎn)。經(jīng)光束法平差計(jì)算可得四角9個(gè)平高控制點(diǎn)與區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部23個(gè)檢查點(diǎn)的殘差分布，如圖4(b)。這樣的布點(diǎn)是在方法1)的基礎(chǔ)上，把單點(diǎn)布設(shè)改為點(diǎn)組布設(shè)，使整體精度有所提高。

3)采用四周邊均勻布設(shè)，四角點(diǎn)組布點(diǎn)方式。即在四周均勻布設(shè)、四角點(diǎn)組加密布設(shè)，此方案采用了周邊的18 個(gè)控制點(diǎn)(a1，a2，a5，a10，a12，a14，b01，b02，b03，b04，b05，b07，b10，b11，b17，b18，b19，b21)，剩下的14個(gè)內(nèi)部控制點(diǎn)被作為量測(cè)控制點(diǎn)。經(jīng)光束法平差計(jì)算可得周邊18個(gè)平高控制點(diǎn)與區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部14個(gè)檢查點(diǎn)的殘差分布，如圖4(c)。該方案在方案2)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了對(duì)周邊點(diǎn)的控制。

4)采用四周邊均勻布設(shè)方式。即只在四周均勻布設(shè)控制點(diǎn)四角點(diǎn)組不加密。該方案共布設(shè)14個(gè)平高控制點(diǎn)(a2，a5，a10，a12，a14，b02，b03，b07，b10，b11，b17，b18，b19，b21)，經(jīng)平差后可得其控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)殘差大小分布，如圖4(d)。

5)采用四周邊均勻布設(shè)、再加布設(shè)少量?jī)?nèi)部點(diǎn)的布設(shè)方案。即在方案4)的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)內(nèi)部控制點(diǎn)(a8，b08)。經(jīng)平差后可得其控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)殘差大小分布，如圖4(e)。

6)采用四周邊均勻布設(shè)，四角點(diǎn)組布點(diǎn)，加中間點(diǎn)的布點(diǎn)方式。即在第3種方法的基礎(chǔ)上，增加4個(gè)中間控制點(diǎn)(a3，a9，b12，b14)。經(jīng)光束法平差計(jì)算可得區(qū)域網(wǎng)四周邊檢查點(diǎn)的殘差分布，如圖4(f)。

圖4 殘差分布圖

2.4 各方案精度對(duì)比與分析

通過(guò)上述6種不同的控制點(diǎn)布設(shè)方案，對(duì)其相應(yīng)的精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 不同控制點(diǎn)布點(diǎn)方案光束法區(qū)域網(wǎng)平差統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表2各種不同控制點(diǎn)布設(shè)方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比，我們可以得出：

1)只在區(qū)域四角布設(shè)平高控制點(diǎn)，雖然控制了整個(gè)測(cè)區(qū)，但是控制點(diǎn)精度太低。相較之下，區(qū)域四周均勻布設(shè)平高控制點(diǎn)可以大大提高整體精度。

2)6種方案中，采用四角點(diǎn)組布點(diǎn)，四周邊均勻布設(shè)，加少量區(qū)域中間點(diǎn)的布點(diǎn)方式精度最高。根據(jù)數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范，這種控制點(diǎn)布設(shè)方案所獲的結(jié)果完全能滿足1∶2　000的數(shù)字化成圖。

3)本次實(shí)驗(yàn)特意設(shè)定了點(diǎn)組控制點(diǎn)布設(shè)方案與單點(diǎn)布設(shè)方案實(shí)驗(yàn)比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，點(diǎn)組布設(shè)方式與單點(diǎn)布設(shè)方式相比，其精度有著明顯的提高，甚至恰當(dāng)?shù)膮^(qū)域四角點(diǎn)組布設(shè)控制點(diǎn)比四角單點(diǎn)布設(shè)加區(qū)域中間布設(shè)控制點(diǎn)的精度都要高，這就意味著對(duì)于光束法平差來(lái)說(shuō)，只要區(qū)域周邊均勻布點(diǎn)及區(qū)域四角布設(shè)合適的點(diǎn)組，那么區(qū)域中可以不用布設(shè)控制點(diǎn)，這樣就大大方便了大型區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)的布設(shè)，也提高了外業(yè)工作效率。

3　控制點(diǎn)的密度和分布對(duì)空三精度的影響

3.1 控制點(diǎn)的密度對(duì)空三精度的影響

實(shí)踐中，對(duì)從各方案的比較分析，可以得出：

采取點(diǎn)組均勻布設(shè)時(shí)，控制點(diǎn)的密度過(guò)小，多余的觀測(cè)量不足，會(huì)影響到解算精度。適當(dāng)增加控制的密度，可提高空三解算的精度，但是并不是控制點(diǎn)密度越大越好，如圖5所示，點(diǎn)組均勻布設(shè)時(shí)，控制點(diǎn)的數(shù)量對(duì)空三精度的影響。過(guò)多的控制點(diǎn)不但大大增加外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量，而且對(duì)于空三精度的提高并沒(méi)有太多的作用，性價(jià)比不高。

圖5 點(diǎn)組均勻布設(shè)時(shí)，控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)空三精度的影響

3.2 控制點(diǎn)的分布對(duì)空三精度的影響

由于無(wú)人機(jī)區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量的精度最弱點(diǎn)位于區(qū)域的四周，而不在區(qū)域的中央，區(qū)域內(nèi)部精度高而且均勻，精度薄弱環(huán)節(jié)在區(qū)域的四周。從各方案比較分析可以得出：在條件允許的情況下，控制點(diǎn)應(yīng)該均勻布設(shè)在攝區(qū)，并且要加強(qiáng)測(cè)區(qū)邊角的控制。這樣做不但可以在滿足精度要求條件下減少控制點(diǎn)的數(shù)量，而且可以有效改善區(qū)域四周的精度。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適于無(wú)人機(jī)航測(cè)的布點(diǎn)方案：四周邊均勻布設(shè)平高點(diǎn)、四角布設(shè)成點(diǎn)組，加少量?jī)?nèi)部控制點(diǎn)。通過(guò)對(duì)6種典型的適用于無(wú)人機(jī)航測(cè)的均勻布點(diǎn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對(duì)比分析，表明本文提出的四角點(diǎn)組布點(diǎn)方案得到的空三精度最高，與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方式相比，易于實(shí)施且需要的控制點(diǎn)數(shù)量較少。

在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)：無(wú)論區(qū)域大小，四周均勻布設(shè)控制點(diǎn)，四點(diǎn)布設(shè)平高控制點(diǎn)均有利于保證區(qū)域內(nèi)部的精度。一般情況下，單點(diǎn)布設(shè)的精度都不如點(diǎn)組布設(shè)精度高，而且點(diǎn)組布設(shè)也可以增加平面高程的精度。另外，計(jì)算過(guò)程中，平差開(kāi)始時(shí)的迭代應(yīng)將控制點(diǎn)的權(quán)值設(shè)計(jì)較小，在迭代過(guò)程中應(yīng)根據(jù)單位權(quán)中誤差的大小逐步加大控制點(diǎn)的權(quán)值，這樣就能獲得較高精度的平差結(jié)果。

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來(lái)源：《測(cè)繪科學(xué)》2016年5月