作者：朱進(jìn)，丁亞洲，陳攀杰，王新安，郭丙軒，肖雄武，?？瓶?/p>

摘　要：針對無人機(jī)航測按照傳統(tǒng)的攝影測量布點方式，不僅需要較多的控制點，而且實施起來不太便利的缺點，提出了一種適合無人機(jī)航測的最優(yōu)布點方案。通過對6種無人機(jī)控制點布設(shè)方案(傳統(tǒng)的攝影測量布點方案和5種適合無人機(jī)航測的布點方案)進(jìn)行空三精度對比實驗，試驗表明，該布點方案精度最高，與傳統(tǒng)的攝影測量布點方式相比，其不僅實施方便，而且需要的控制點數(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人機(jī)航測因像幅小、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：控制點布設(shè);空三精度;無人機(jī)影像

0　引言

無人機(jī)(unmanned　aerial　vehicle，UAV)航測影像像幅小，且易受飛行質(zhì)量影響，暫時還難以達(dá)到傳統(tǒng)的空三測量水平，采用傳統(tǒng)的攝影測量布點方式，不但控制點數(shù)量多，而且實施起來比較困難，因此，無人機(jī)影像控制點的布設(shè)不能完全使用傳統(tǒng)航測的布設(shè)方式[1-2]。現(xiàn)階段，無人機(jī)航測成圖的基本方法主要可分為兩類：①GPS輔助無控制點數(shù)據(jù)的無人機(jī)航測成圖[3-5];②針對無人機(jī)影像特點參照傳統(tǒng)的攝影測量流程進(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立體、均勻分布在測區(qū)，加強(qiáng)測區(qū)邊沿的控制點布設(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)計的方法來選擇合理的空三布點方案[11];喬煒等人提出像控點布點基線為12～13條的密集布點案[12]。

針對方法②中一般按照均勻布設(shè)控制點方式，需要較多的控制點，而且實施不便利等不足，本文通過總結(jié)無人機(jī)航測外業(yè)控制與成圖精度的關(guān)系[13]，分析控制點的分布和密度對其影響，對均勻布設(shè)做了一些調(diào)整，從而選取一種適合無人機(jī)航測的最優(yōu)控制點布設(shè)方案。它的意義在于不僅較好的解決了無人機(jī)航測因像幅小、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，而且對于提高無人機(jī)攝影測量成圖精度有一定的參考意義和價值。

1　無人機(jī)航測的控制點布設(shè)

1.1 無人機(jī)航測與傳統(tǒng)航測的區(qū)別

1)無人機(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：由于無人機(jī)影像傾斜角過大且傾斜方向沒有規(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，這對于連接點的提取和布設(shè)增加了難度。

所以，傳統(tǒng)航測采用的航向3條基線布設(shè)一個平高點，航區(qū)按四排平高點設(shè)計布設(shè)控制點，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)控制點的方式并不適合無人機(jī)航測[14]。實驗表明，無人機(jī)航測適合采用均勻布設(shè)控制點的方式[2]。我們通過調(diào)整控制點的密度和分布來選取一種適合無人機(jī)航測空三解算的最優(yōu)控制點布設(shè)方案。

1.2 無人機(jī)航測布設(shè)控制點的原則

根據(jù)無人機(jī)航測的特點，我們按照以下原則對其進(jìn)行布設(shè)控制點。

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

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

3)如果用地面測量觀測值代替或加強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)的控制點，則有關(guān)平面的觀測值(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)高程的相對觀測值(如高差、高度角等)應(yīng)平行于航帶方向布設(shè)[15-16]。

2　無人機(jī)航測控制點布設(shè)方案對比分析

2.1 無人機(jī)航測控制點布設(shè)方案

圖1 傳統(tǒng)無人機(jī)航測

若采用傳統(tǒng)航測的布點方式(如圖1所示)，不但要求的控制點多，而且實施起來比較困難[1-2]，性價比不高，無人機(jī)航測中，我們一般不用這種方法。本文根據(jù)上述無人機(jī)航測布設(shè)控制點的特點和原則，我們設(shè)計了以下6種無人機(jī)控制點布設(shè)方案：

1)采用四角單點布點方式(圖2(a))：即只在測區(qū)的四個角布設(shè)控制點。

2)采用四角點組布點布點方式(圖2(b))：即把測區(qū)的四角布設(shè)成點組的形式。

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

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

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

6)采用四周邊均勻布設(shè)，四角點組布點，加少量內(nèi)部點的布點方式(圖2(f))：即在測區(qū)四周均勻布設(shè)控制點，邊角處采用點組布設(shè)。

圖2 適合無人機(jī)航測的6種布設(shè)方案

2.2 無人機(jī)控制點布設(shè)實驗

在控制點分布與密度對無人機(jī)航測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比。以湖北省咸寧某區(qū)域作為實驗區(qū)域，展開無人機(jī)航測獲取該區(qū)域的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)序列，圖3為實驗區(qū)域無人機(jī)影像航帶圖和控制點分布圖，表1為作業(yè)區(qū)的相關(guān)信息。要求作業(yè)區(qū)的控制點精度相同，每個控制點都可以作為平高控制點，且每個控制點的平面坐標(biāo)精度也滿足作為平面控制點的精度，同時高程坐標(biāo)的精度也滿足單獨(dú)作為高程控制點的精度。本文通過對32個不同的控制點布設(shè)方案的對比研究，來說明3種典型布設(shè)方案的優(yōu)劣，找出無人機(jī)航測在滿足精度的要求下最省外業(yè)的測量方法，為無人機(jī)更好應(yīng)用和提高無人機(jī)攝影測量成圖精度提供有意義和有價值的參考。

圖3 實驗區(qū)域無人機(jī)影像航帶圖和控制點分布圖

表1 無人機(jī)攝影數(shù)據(jù)相關(guān)信息

2.3 像控點布設(shè)與空三實驗

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

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

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

4)采用四周邊均勻布設(shè)方式。即只在四周均勻布設(shè)控制點四角點組不加密。該方案共布設(shè)14個平高控制點(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與檢查點殘差大小分布，如圖4(d)。

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

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

圖4 殘差分布圖

2.4 各方案精度對比與分析

通過上述6種不同的控制點布設(shè)方案，對其相應(yīng)的精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計如表2所示。

表2 不同控制點布點方案光束法區(qū)域網(wǎng)平差統(tǒng)計結(jié)果對比

通過表2各種不同控制點布設(shè)方案實驗結(jié)果統(tǒng)計對比，我們可以得出：

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

2)6種方案中，采用四角點組布點，四周邊均勻布設(shè)，加少量區(qū)域中間點的布點方式精度最高。根據(jù)數(shù)字化測圖規(guī)范，這種控制點布設(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)本次實驗特意設(shè)定了點組控制點布設(shè)方案與單點布設(shè)方案實驗比較，實驗結(jié)果證明，點組布設(shè)方式與單點布設(shè)方式相比，其精度有著明顯的提高，甚至恰當(dāng)?shù)膮^(qū)域四角點組布設(shè)控制點比四角單點布設(shè)加區(qū)域中間布設(shè)控制點的精度都要高，這就意味著對于光束法平差來說，只要區(qū)域周邊均勻布點及區(qū)域四角布設(shè)合適的點組，那么區(qū)域中可以不用布設(shè)控制點，這樣就大大方便了大型區(qū)域網(wǎng)控制點的布設(shè)，也提高了外業(yè)工作效率。

3　控制點的密度和分布對空三精度的影響

3.1 控制點的密度對空三精度的影響

實踐中，對從各方案的比較分析，可以得出：

采取點組均勻布設(shè)時，控制點的密度過小，多余的觀測量不足，會影響到解算精度。適當(dāng)增加控制的密度，可提高空三解算的精度，但是并不是控制點密度越大越好，如圖5所示，點組均勻布設(shè)時，控制點的數(shù)量對空三精度的影響。過多的控制點不但大大增加外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量，而且對于空三精度的提高并沒有太多的作用，性價比不高。

圖5 點組均勻布設(shè)時，控制點數(shù)量對空三精度的影響

3.2 控制點的分布對空三精度的影響

由于無人機(jī)區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的精度最弱點位于區(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，控制點應(yīng)該均勻布設(shè)在攝區(qū)，并且要加強(qiáng)測區(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

本文提出了一種適于無人機(jī)航測的布點方案：四周邊均勻布設(shè)平高點、四角布設(shè)成點組，加少量內(nèi)部控制點。通過對6種典型的適用于無人機(jī)航測的均勻布點方法進(jìn)行實驗和對比分析，表明本文提出的四角點組布點方案得到的空三精度最高，與傳統(tǒng)的攝影測量布點方式相比，易于實施且需要的控制點數(shù)量較少。

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

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來源：《測繪科學(xué)》2016年5月