无人机航空摄影测量的应用及GCP布点方法分析.pdf

中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-104-三星推荐1839年法国人达格雷（Daguerre）和尼普斯（Niepce）拍摄了第一张照片，摄影技术诞生。1903 年美国人莱特兄弟的飞机试飞成功，航空摄影测量有了飞行平台。在飞机上使用相机对被摄物体进行连续摄像，通过研究单张或多张相片的位置关系，通过投影变换得到被摄物体的正射影像。由于输出的影像可以量测，信息丰富，不用近距离接触被摄物体，几乎不受地理条件和自然条件的限制，影像信息更新速度快，最初被广泛用于军事侦察和地形测绘，并逐渐发展为一门学科-摄影测量学。经过一个多世纪的发展，航空摄影测量有了新的飞行平台-无人机。现在无人机技术已经十分成熟，机型轻，反应灵活，操作简便，随着与计算机和数码相机技术的融合，基于无人机平台的各种应用已获得飞速的发展和应用，无人机航拍广泛应用于工程建设、灾害防治、国土监察、资源开发、新闻传媒等方面，无人机航空摄影测量技术在基础测绘、土地资源调查、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘等方面具有广阔前景。以大疆精灵系列无人机为代表的低空超轻航摄平台在大比例尺数字地形图生产中获得广泛的应用，并具有良好的口碑。精灵 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，内置航线规划 APP 和网络 RTK 等功能，用户到达作业现场后，可迅速使用精灵 4 RTK 开展航摄、测量、巡检等工作，便携易用，安全高效。航测无人机的应用大幅度减少了地形图生产的外业作业难度和工作量，使地面控制点的布测成为主要的外业工作和难点，同时除了无人机航测系统自身的测量误差，地面控制点的布测对地形图成果精度有着至关重要的影响。为了寻找航空摄影测量成果质量与外业工作效率的最优平衡，本文通过对某测区布设多个地面控制点方案，分别进行空中三角测量，使用多余地面控制点和检查点对生成的数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）精度进行统计和分析，寻找地面控制点的最优布设方案。航空摄影测量原理传统的摄影测量是利用光学摄影机拍摄照片，通过照片来研究被拍摄物体的形状、大小、位置和相对关系。这种方法的特点是不用与被摄物体接触就可以获得丰富的客观的几何信息和物理信息。经过模拟和解析摄影两个阶段的发展，行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度无人机航空摄影测量的应用及 GCP 布点方法分析樊 辉樊 辉湖南省水务规划设计院有限公司樊辉（1979），湖南长沙，学士学位，高级工程师，主要从事工程勘察、设计、研究工作。-105-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期三星推荐得益于计算机、数码相机和无人机等技术的进步，航空摄影测量进入了数字阶段。数字航空摄影测量就是采用数码摄像机获取数字相片，经过专业计算机软件进行数值和影像处理，提取其中的几何和物理信息的测量方法，数字产品包括DOM、DSM 和数字化地形图等。航空摄影测量技术即搭载有数码相机的无人机平台通过在空中连续获取地面照片，通过专业软件结合地面控制点和空中三角测量方法生产 DOM 和 DSM，在立体测图软件中绘制数字地形图。该技术主要包括内外业两部分内容，其作业流程为项目规划、地面控制点布测、数字相片获取、空中三角测量、生成 DOM 和 DSM、数字地形图生产、外业调绘和检查等。其中最重要的是数字相片获取和空中三角测量两部分。数字相片获取采用无人机平台搭载数码相机进行航空摄影。航摄时地面点光线通过物镜后在底片上成像，即我们获得的航摄相片。此时物镜中心为投影中心，地面光线汇聚于该点，所得的航摄相片是地面的中心投影，而地图是地面在水平面上缩小的正射投影，两者是有区别的。所以摄影测量需将航摄相片的中心投影转换为地形图的正射投影。空中三角测量的方法主要有航带法、独立模型法和光束法，其中光束法区域网平差由于方法严密，借助计算机的高效运算能力，能够快速求解误差方程中的未知数，所以得到广泛的应用。该方法的数学模型是以每束连接地物点、像点和投影中心的光线共点建立共线条件方程，通过加入每张相片的控制点坐标和像点坐标列出误差方程式，按循环分块的求解方法，依次获取每张相片的外方位元素，然后用空间前方交会联合解算地面点坐标。内方位元素是摄影中心与相片相互位置关系的参数，一般为已知数，像点坐标为观测值，误差方程式可表示为：VX=a11XS+a12YS+a13ZS+a14+a15+a16K-a11X-a12Y-a13Z-lX （1）VY=a21XS+a22YS+a23ZS+a24+a25+a26K-a21X-a22Y-a23Z-lY （2）式中：VX、VY 为像点坐标的改正数；XS、YS、ZS、K 为每张影像的 6个外方位元素，分别为 3 个线元素和航向倾角、旁向倾角、相片旋角；aij 为方程中各系数的值；lX=X-（X），lY=Y-（Y）；（X）、（Y）由未知数的近似值带入共线条件方程计算得到。常数项 lX、lY 需要不停进行迭代计算，直到小于设定的限差后计算结束。将求得的每张相片的外方位元素带入多张相片前方交会公式求解地面点坐标，外方位元素带入式（1）和式（2）可列出每个地面点的前方交会点误差方程：VX=-a11X-a12Y-a13Z-lX （3）VY=-a21X-a22Y-a23Z-lY （4）对多张相片中的公共点，由地面点的误差方程组成法方程式联立求解地面点坐标。数字地形图生产是利用空中三角测量输出的 DOM 和DSM 在三维测图系统中进行的。目前，虽然数字摄影测量工作站的自动化能力在不断提高，但也只局限于几何处理，如自动内定向、外定向、空中三角测量、DOM 和 DSM 制作等，地形图的绘制主要以人工交互方式进行，即相片的室内目视解译。根据地形图的用途和比例尺，按相关规范要求对地物进行综合取舍，用规定的图式符号将地物、地貌元素进行绘制和标注，对分区绘制的地形图还要进行接边，整饰后形成初步地形图底图。经过室内解译绘制的数字地形图还需要进行野外调绘。将数字地形图和 DOM 叠加打印成纸质的图纸，规划好调绘路线，到实地对地形、地物等要素进行调绘，同时也能检查地形图数学精度和制图精度。航空摄影测量通过融合多种技术，获取高清影像速度快，精度高，能生成 DOM 和 DSM 等数字产品，地形图成图周期短，工作效率高，成为大比例尺地形图生产的主要方法。航测实例测区概况本次航测区域位于湖南省南洞庭湖区某垸内，测区边框范围基本为矩形，长度约 2.7km，宽度约 1km，地形图比例尺为 1：1 000。测区范围中部有一条宽度约 100m 的河流贯穿而过，河流两侧河堤高程约 36m，其他区域为平坦的田地，平均高程约 28m，航测范围内无超高建筑物，亦非限高或限飞区域，满足无人机航空摄影测量的基本条件。航摄准备本次航摄平台采用大疆精灵 4 RTK 无人机，其主要技术参数如下。表 1 无人机平台主要技术参数类别参数名称数值无人机重量1 391g最大水平飞行速度（定位模式）50km/h飞行时间30min多频多系统高精度 RTK GNSS垂直 1.5cm+1ppm（RMS）水平 1cm+1ppm（RMS）数码相机遥控器信号最大有效距离5km有效像素2 000 万镜头焦距8.8mm/24mm照片最大分辨率4 8643 648（4：3）照片格式JPEG将测区范围 KML 文件导入无人机内置的航线规划APP，设置飞行相对航高 220m（对应相片地面分辨率 6 厘米/像素），拍照模式为定距拍摄，相片比例 4：3，旁向重叠率 70%，航向重叠率 80%，然后调整自动规划的航线，综合考虑起飞点的位置和航飞架次因素，选取效率最高的航行方向，规划航线 36 条，APP 自动计算出预计拍摄照片数量为 1 141 张。GCP 布测根据规划的航线，参照卫星影像图，先在室内预选地面中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-106-三星推荐控制点。为方便后续采用不同地面控制点进行空中三角测量，基本按等间距进行布点，共计布设地面控制点 22 个。相片控制点在野外选点时均选择影像清晰、易于判读和周围视野开阔的目标。同时控制点距离相片边缘不小于1cm，宜选在旁向重叠中线附近。没有符合要求的区域采用红色油漆现场绘制或铺设预制像控标靶等方法。根据1：500 1：1 000 1：2 000 地形图航空摄影测量外业规范GB/T 7931-2008 的要求，平高控制点相对临近基础控制点的平面位置中误差不超过地物点平面位置中误差的 1/5，高程中误差不超过基本等高距的 1/10，对平坦地区，1：1 000 地形图重要地物点平面位置中误差为 0.6m，基本等高距为 1m，所以采用网络 RTK 模式按二级 GPS 精度进行控制点测量能够满足任务和规范要求。空中三角测量本项目的数据处理采用的是瑞士 PIX4D 公司开发的无人机摄影测量专业处理软件，PIX4Dmapper。该软件自动化程度高，操作简便，影像处理能力强，能快速生成高精度、高分辨率的二维或三维数字成果。本次航飞共计飞行 6 个架次，获取航摄相片 1 147 张，摄影当天天气晴朗，微风，相片质量较好。将包含 POS 数据的相片导入 PIX4Dmapper，根据任务要求设置坐标系统和相关参数，即可开始全自动处理。该软件空中三角测量采用的是光束法区域网平差。在工程应用中一般首先进行快速解算，获得地面点坐标的近似值，在 GCP 管理中导入相片控制点三维坐标，并在 68 张控制点目标清晰的相片中刺点，设置为三维控制点，重新进行优化解算，在成果质量报告中查看地面采样距离（Ground Sampling Distance，GSD）6.33cm（2.47in），GCP 均方根误差为 0.035m。最后生成 DOM 和 DSM，在 EPS 三维测图系统里面进行地形图绘制。精度统计与分析为研究不同地面控制点布置方案对地形图成果精度的影响，在空中三角测量时分别对三种不同布点方案进行独立解算，通过对比多余控制点和检查点的平面和高程精度进行分析。三种布点方案如下。方案 1：共计布设地面控制点 22 个，控制点均匀分布于测区范围，且四周和角点均有布设，点间平均间距约400m。方案 2：共计布设地面控制点 13 个，控制点按“Z”字型布设，四周和角点均有布设，点间平均间距约 700m。方案 3：共计布设地面控制点 14 个，控制点均匀分布于测区范围，且四周和角点均有布设，点间平均间距约700m。本次研究共计选取了 30 个检查点，检查点均匀分布于测区。在 EPS 三维测图系统里面量取各检查点的平面坐标和高程值，与检查点坐标进行误差统计，统计数据见表 2。计算中误差时发现其中两个检查点高程与 DSM 高程差值分别为 0.47m 和 0.62m，通过检查 DSM 数据发现一点位于一户人家院内水泥坪上，但距离大门门墩较近，另一点位于水泥路面上，旁边刚好停放了一辆卡车，使生成的 DSM 在该两处有异常，导致高程数据失真，计算中误差时剔除了这两个数据。表 2 地面控制点和检查点 RMS 统计表方案地面控制点 RMS Error（m）检查点 RMS Error（m）XYZXYZ方案 10.0260.0250.0480.0350.0300.057方案 20.0340.0390.0520.0370.0430.063方案 30.0350.0420.0660.0410.0530.075从表 2 中的数据我们可以看出，三种方案的中误差均能满足 1：1 000 地形图的精度要求，检查点按图根控制点的技术要求进行测量，其均方根误差比地面控制点均方根误差偏大，与实际情况相符。从地面控制点均方根误差来看，方案一由于采用了 22个地面控制点进行空中三角测量，平面和高程中误差均比方案 2 和方案 3 较优，由于测区范围四周和角点均布设了控制点，X 方向和 Y 方向的均方根误差一致，整个区域精度高，可靠性高。方案 2 和方案 3 分别采用了 13 个和 14 个地面控制点，控制点间距离差别不大，所以地面控制点均方根误差很接近，但方案 2 比之方案 3 较优，原因在于方案 2 的地面图 1 GCP 不同布点方案-107-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期三星推荐控制点在四周的位置较均匀，加上航摄区域中间布设有 3 个控制点，使区域内部精度得以提高，特别是对精度较敏感的高程中误差与方案一比较也差别不大。从检查点均方根误差来看，依然是方案 1 优于方案 2，方案 2 优于方案 3，其中方案 3 的高程中误差较大，分析原因是航摄区域中间控制点较少，且四周的地面控制点间隔距离不均匀，导致区域网平差成果精度降低。从实际生产情况分析，方案1需要布测地面控制点22个，而方案 2 和方案 3 仅需布测方案 1 约 60%数量的控制点即可满足生产 1：1 000 比例尺地形图的精度要求，就单从布测地面控制点来说，方案 2 和方案 3 的外业工作效率较高。综合以上分析，地面控制点布设方案 2 较优。同时，本次研究也对无地面控制点参与空中三角测量的情况进行了统计，地面控制点平面 X 和 Y 方向中误差分别为0.237m 和 0.079m，高程中误差为 17.762m，取与地面控制点测量坐标差值的平均值为改正数，对无地面控制点空三成果进行改正，计算得到地面控制点平面 X 和 Y 方向中误差分别为 0.038m 和 0.041m，高程中误差为 0.082m。通过改正数改正后的地面控制点中误差依然满足 1：1 000 地形图生产需要，说明通过无地面控制点进行空中三角测量的内符合精度较好，分析原因主要包括以下几点：（1）本次使用的航飞平台能提供实时厘米级定位数据，显著提升图像元数据的绝对精度，同时定位系统能够通过网络 RTK 获取差分数据，提高了相对定位精度；（2）无人机平台、相机和 RTK 的时钟系统误差达到了毫秒级，加上相机镜头中心与 RTK 天线中心的位置补偿，提高了影像的坐标精度；（3）本次航飞设置了较高的航向重叠度和旁向重叠度，相邻相片获得了较多的同名点，提高了空中三角测量成果精度；（4）本次航测区域地势平坦，纹理丰富，测区中央的水域成条状且面积较小，相片质量较好，空中三角测量获得了较高的平面和高程精度。另外，本次航测由于航线规划自动扩大了边界范围，实际成图面积达到 4.2km2，为了在 EPS 三维测图系统里面快速生成 DSM，设置了较小的模型参数。如果将测区范围进行分割，同时提高 DSM 精度，能否提高地形图成果精度，有待进一步作专题论证。结语本文介绍了低空航空摄影现状和航空摄影基本原理，基于某区域航空摄影测量实例，通过设置三种地面控制点布点方案，使用 Pix4Dmapper 处理软件分别对获取的航摄相片进行空中三角测量，统计分析地面控制点和检查点的平面中误差和高程中误差，发现三种地面控制点布点方案均能满足1：1 000 地形图生产精度要求。同时，布置较多的控制点确实能获得较高精度的 DOM 和 DSM，但在实际生产中，合理布置一定数量的控制点，不仅能满足任务要求，又能减少外业工作量，提高工作效率。研究表明，在平坦区域，飞行平台带有网络 RTK 的情况下，“Z”字型控制网布设方案较优，可以获得航空摄影测量成果质量与外业工作效率的最优平衡。同时尝试了在无地面控制点参与空中三角测量的情况下，通过后期误差改正，测量成果亦能满足任务要求，航空摄影测量作业模式又多了一种选择。随着无人机技术的发展，高精度 POS 系统（Position&Orientation System，简称 POS）的引入，相片的外方位元素能够直接获取，不久的将来或能实现少量的地面控制点甚至无需地面控制点亦可达到大比例尺地形图生产要求。