基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:陈凯王春代文等.基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究.自然资源遥感():.(.():.)基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究陈 凯 王 春 代 文 盛业华 刘爱利 汤国安(.南京信息工程大学地理科学学院南京 .滁州学院地理信息与旅游学院滁州.实景地理环境安徽省重点实验室滁州 .南京师范大学地理科学学院南京.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京)摘要:针对消费级无人机相机单一、镜头畸变大地形建模精度受航线设计和控制测量的影响等问题设计了不同的数据采集方案和控制点蒙特卡罗检验分析了相机倾角、航高和控制点数量对地形建模精度的影响 在黄土高原 个典型小流域的实验结果表明:在进行无人机摄影测量数据处理时应先使用蒙特卡罗检验对控制点质量进行分析排除控制点误差再进行数据处理 相机倾角方面在无地面控制点时采用较大角度的倾斜摄影不仅有利于提高样区整体精度还优化了误差的空间分布 这与相机畸变模型的优化有关 在有地面控制点时相机倾角对高程精度的影响不大但是影响控制点饱和数量 相对于垂直摄影倾斜摄影需要略多的控制点才能达到最优精度 航高方面在有地面控制点时使用倾斜摄影有利于降低高程精度对航高变化的敏感性 在有地面控制点时航高在 范围内对高程精度的影响不明显且航高变化不影响控制点饱和数量关键词:无人机摄影测量 地形建模 倾斜摄影 蒙特卡罗 航线设计 控制点数量中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:安徽高校 省级自 然科 学研究 重大项 目“乡 村数字 孪生全 息实 景地理 环境关 键技 术与示 范应用 研究”(编号:)、安徽省高等学校科研计划项目“实景地理环境科研创新团队”(编号:)、年度安徽省学术和技术带头人后备人选科研活动经费资助项目(编号:)、国家自然科学基金项目“面向地貌学本源的数字地形分析理论与方法研究”(编号:)和“黄土高原小流域人工造貌信息图谱研究”(编号:)共同资助第一作者:陈 凯()男硕士研究生研究方向为实景三维建模与数字地形分析:.通信作者:王 春()男博士教授研究方向为实景三维建模与数字地形分析:.引言消费级无人机由于操作简单、携带方便、性价比高等优点已广泛应用于地球科学的各个领域 其中地形建模是无人机遥感最基础和最广泛的应用之一 相对于专业级无人机消费级无人机存在相机镜头畸变大、抗风能力弱和全球定位系统 惯性测量单元()定位精度差等问题极大地影响了其地形建模效果影响消费级无人机地形建模精度的因素众多主要可分为航线设计因素、控制测量因素和平台性能因素 个方面 平台性能因素(如相机性能和 定位精度等)在出厂时已经确定无法改变 在实际地形建模过程中航线设计和控制测量相关因素是探究建模精度的重要可控因素航线设计方面重叠度、相机倾角和航高是重要的设计因素 一般来说重叠度越高越好消费级无人机一般采用 以上的重叠度 针对相机倾角由于消费级无人机通常仅搭载单镜头为提升作业效率常采用“井”字形格网飞行 尽管前人研究表明倾斜摄影有利于提高精度但是其推荐使用的相机倾斜角度在 间不等 还缺乏统一的参考依据 另外相对航高越高地面分辨率越低地形建模的高程精度也越低 但是精度指标均方根误差()和相对航高之比在不同研究中其比值在 之间不等 表明高程精度对航高的敏感性还受其他因素的影响控制测量方面控制点的精度、数量和空间分布是影响摄影测量成果精度的重要因素 控制点的精自 然 资 源 遥 感 年度与测量手段(全站仪、静态全球导航卫星系统()或 实时动态差分技术()等)有关采用的测量手段确定之后其精度水平基本固定 关于控制点分布前人针对不同的测量情景已提出了各类布设方法通常要尽可能均匀且中心加边缘分布 控制点数量越多越有利于精度提高但是当控制点达到一定数量时其测量精度的提高也有限通常存在“最优”的控制点数量 但是最优控制点数量受到哪些因素的影响还有待进一步探索针对上述问题众多学者都只针对上述单一方向上进行研究没有综合去考虑上述因素对于地形建模精度的影响 因此针对上述问题本文使用单镜头消费级无人机通过设计不同摄影测量数据采集方案和控制点蒙特卡罗检验综合探究相机倾角、相对航高和控制点布设数量对地形建模高程精度的影响提出消费级无人机摄影测量精度优化方法 研究区概况本研究在黄土高原选取了 个典型小流域其中(.)、(.)和(.)个样区作为无人机摄影测量实验样区(图)和 样区分别位于陕西省绥德县刘家坪村和王茂庄村 样区位于陕西省延安市安塞区寺崾崄村 个样区均是典型的水土流失区区域内沟壑侵蚀剧烈、地形起伏大最大高差达 余 同时区域内植被稀疏有利于开展无人机地形建模()样区()样区()样区 图 研究区航线设计与控制点分布.研究方法.数据采集实验设计技术路线如图 所示图 无人机摄影测量技术路线.首先设计了不同相机姿态实验和航高实验并进行无人机影像数据的采集 其次针对不同航高和飞行姿态的航摄影像分别进行摄影测量内业数据处理 同时设计了控制点蒙特卡罗检验对比分析不同摄影条件(姿态和航高)以及控制点数量、分布和精度对最终摄影测量结果的精度影响 最后在对上述精度影响因素全面总结的基础上提出消费无人机地形建模的优化方案本次实验无人机型号为大疆精灵 搭载单镜头相机 尺寸为.有效像素为 万 航线设计为“井”字形航线航向重叠度和旁向重叠度均为 相机倾斜角度设置为 (表示垂直摄影)实验方案如表 所示 野外控制测量采用 的方式 和 这 个样区分别布设了 和 个地面控制点其空间分布如图 所示表 无人机摄影测量相机倾角实验.样区相机倾角/()航高/飞行架次地面分辨率/.第 期陈 凯等:基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究 除了相机倾角外航高也是影响精度的重要因素 航高直接影响地面分辨率间接影响高程精度根据低空数字航空摄影规范(/)要求 比例尺航摄地面分辨率应小于 本次航高实验在相同的样区内保证相机倾角和重叠度固定不变的条件下进行不同飞行高度的实验实验方案如表 所示表 无人机摄影测量航高实验.样区航高/相机倾角/()飞行架次地面分辨率/.数据处理与控制点蒙特卡罗检验数据处理步骤包含航片质量检查、空中三角测量、密集点云匹配、点云分类与编辑和数字高程模型()数据生成 通过在 软件中完成对齐照片、标记照片和相机优化等功能 空中三角测量的精度检验是摄影测量过程中最重要的环节之一 之后整个项目的精度基本上已经确定 本研究重点关注空中三角测量这一环节所获得的地面控制点实际精度以此来评价不同摄影方案所获得地面点的高程精度以及复杂地形建模的应用潜力 后续的密集点云匹配、点云分类与编辑和 数据生成等已经是十分成熟的技术流程此处不再赘述为了验证在无地面控制点条件下消费级无人机倾斜摄影在复杂地形建模的应用潜力分为 组实验 第一组数据处理中不使用任何控制点参加摄影测量的光束平差过程仅用 个控制点对空中三角测量模型进行平移、旋转和缩放 第二组使用一半的地面控制点参与光束平差过程优化模型精度剩余一半的控制点作为检查点检查模型精度本文将摄影测量精度达到稳定后控制点数量称为控制点饱和数 为了探索不同的相机倾角、不同航高是否影响控制点饱和数此处使用蒙特卡罗方法 设计了控制点检测实验 控制点蒙特卡罗检验在 软件中执行通过 脚本不断重复光束平差过程 该实验主要可分为 个步骤:对于每一次实现随机选择一定数量的地面控制点参与光束平差过程剩余的点作为检查点评价模型精度 保持每次随机选择的控制点数量不变重复上述过程 遍每次实现过程中记录控制点和检查点的精度 逐渐增加随机选择的控制点的数量并重复步骤分别以 的控制点数量实现步骤中操作通过上述蒙特卡罗检验可以得到随着选择控制点数量的增加控制点和检查点误差的变化情况此外还可以通过查看每一个地面控制点作为检查点或控制点时的平均误差判断每个控制点的质量若某个地面控制点不论是作为控制点还是检查点时误差均很大则说明该点很可能在测量过程中出现了较大误差(如电磁场干扰等)或者在刺点过程中出现了较大误差.精度评价精度评价采用 指标进行评估 可分为平面 和高程 在地形建模过程中高程 较平面 更重要 因此本文的精度评价主要指高程 的评价其公式为:()()式中:为检查点(或控制点)的 坐标的测量值即摄影测量的观测值 为对应检查点 的 坐标真实值即控制测量的观测值 为评价精度时检查点个数由于 的分布不是均一的而是在空间上变化的 在不同地形部位的检查点误差的大小也不尽相同 因此还需要判断检查点的误差是否存在一定的空间分布模式 具体做法为确定好控制点的数量后利用随机函数从所有控制点中随机选择规定数量下的点重复 次做成误差箱型图排除偶然误差与随机误差带来的影响 结果与分析.控制点质量分析控制点蒙特卡罗实验后计算整个蒙特卡罗迭代过程中地面控制点作为控制点或检查点的平均误差 以 样区相机倾角为 的实验为例将每个地面控制点的平均误差可视化如图()所示 可以发现其中第 和第 号点无论作为控制点还是检查点其平均误差均很大最高达.第 和第 号点很可能在测量过程中或刺点过程中出现了较大误差 经检查发现该 个点在数据处理时刺点位置不准确 经重新处理后每个控制点的平均误差如图()所示 此时所有点的平均误差均小于.处于合理范围内 后续所有的实验方案均进行控制点质量分析剔除控制点误差之后再进行进一步的分析自 然 资 源 遥 感 年()质量分析前()质量分析后图 控制点质量分析.相机倾角对高程精度的影响.高程 不同相机倾角下检查点在有地面控制点和无地面控制点条件下的高程中误差()如图 所示 无地面控制点条件下倾角为(垂直摄影)时 个样区的高程中误差均较大 随着相机倾角的增加高程中误差减小 倾角大于 后高程中误差变化不大 在有地面控制点的情况下相机倾角对高程中误差的影响不大(图)不论是垂直摄影还是倾斜摄影高程中误差均很小 这说明在有控制点时相机倾角对高程精度影响不大 在无控制点时需要使用较大的相机倾角()样区()样区()样区图 相机倾角对 的影响.误差空间分布 和 样区在无地面控制点下检查点误差的空间分布如表 所示 在 和 样区相机倾角为 时检查点误差出现了明显的空间聚集 样区东北方向和西南方向山脊线上出现了低值聚集沟谷中央出现了高值聚集 样区东方向山脊线上出现了低值聚集沟谷中央出现了高值聚集 说明摄影测量模型可能出现了系统误差 使用倾斜相表 不同相机倾角下检查点误差的空间分布情况.样区相机倾角/()第 期陈 凯等:基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究机时检查点误差的空间分布明显得到改善其分布较为均匀没有发现明显的空间聚集分布 这一结果表明使用倾斜摄影不仅提高了高程精度同时还改善了误差的空间分布一定程度上减少了系统误差 倾斜摄影对高程误差的改善可能与地形起伏和同名射线交会角有关 黄土小流域中沟壑侵蚀剧烈、地形起伏大、坡面坡度高使用倾斜摄影时相对于坡面区域可能更趋近于垂直摄影此时地面控制点实际地面分辨率较均匀误差也相对更均匀 另一方面使用倾斜摄影时部分同名射线的交会角变大使加密点的解算更稳定 因此当地形起伏度高时使用倾斜摄影有利于提高测量精度.镜头畸变校正倾斜摄影对高程精度的改善可能与相机畸变参数有关 消费级无人机搭载的多为非量测相机影像畸变大且校检结果不稳定 理想情况下经过光束平差优化之后相机的各项畸变参数之间应当互不相关 实际应用中各项相机畸变参数存在较强的相关性 和 样区中不同相机倾角下的相机畸变参数自相关系数如表 所示 根据相机畸变原理径向畸变参数之间的相关是正常的同理焦距和主点偏移、主点偏移和切向畸变参数之间的相关性也无需关注 这里主要关注径向畸变参数和主点偏移、径向畸变参数和切向畸变参数之间的相关性前人研究表明这几个参数之间的强相关会导致摄影测量模型的系统误差 从表 中可以发现当相机倾角为 时径向畸变参数与主点偏移和其与切向畸变参数之间相关性(红色虚线框)均较强随着相机倾角的增加相关性减弱 当相机倾角大于 时这几项参数近乎不相关 这与垂直摄影使用全部控制点优化的相机畸变模型的相关系数分布十分相近 这一结果说明使用倾斜摄影优化了相机畸变模型特别是倾角大于 时可达到使用控制点优化相机畸变模型的相同效果表 不同相机倾角下相机参数自相关模型.样区相机倾角/()(使用全部控制点)(使用全部控制点)注:为相机焦距 和 分别为主点偏移 和 分别为径向畸变参数 和 分别为切向畸变参数.控制点饱和数量在有地面控制点的情况下相机倾角对高程 的影响不大(图)但其精度可能随控制点数量变化而变化 样区的实验结果如表 第一列所示 控制点的误差随着参与光束平差的控制点数量增加而变高数量达到一定程度之后精度保持不变 检查点的误差随着参与光束平差的控制点数量增加而降低数量达到一定程度之后精度保持不变 这说明控制点达到一定数量之后对摄影测量精度的影响不大 相机倾角并不影响这一趋势 但是通过表 可以发现相机倾角对控制点饱和数有明显的影响 使用垂直摄影()时高程误差在控自 然 资 源 遥 感 年制点数量为 左右时达到了稳定 而使用倾斜相机时高程误差在控制点数量为 时开始趋近于稳定这说明使用倾斜相机略微提高了控制点饱和数 和 样区的控制点蒙特卡罗检验结果如表 第二列和第三列所示 可以发现这 个样区的控制点和检查点误差变化趋势和 样区结果基本一致但在这 个样区中相机倾角对控制点饱和数的影响更明显 使用正射相机时 和 样区中控制点数量在 左右时达到了饱和 而使用倾斜相机时样区控制点数量在 左右时趋近于饱和 样区控制点数量为 时才开始趋近于饱和 这一结果验证了 样区的结论使用倾斜相机提高了控制点饱和数 但是控制点达到饱和时倾斜摄影的最优精度高于垂直摄影的最优精度表 样区不同相机倾角下控制点蒙特卡罗检验结果.倾角/()样区 样区 样区.航高对高程精度的影响.高程 航高对高程 的影响如图 所示 其中 样区影像获取时采用的是垂直摄影 样区采用的是倾角为 的倾斜摄影 可以发现在无地面控制点时垂直摄影()的高程 均在分米级且随航高的增加而增大 而采用倾斜摄影()时高程 均为厘米级且随航高的变化不大这一方面验证了倾斜摄影有利于提高高程精度的结论另一方面说明采用倾斜摄影降低了高程误差对航高的敏感性 为满足低空数字航空摄影规范(/)中 比例尺测图的要求试验的飞行高度设计在 地面分辨率均优于 理论上高程精度也可优于 一方面由于倾斜摄影优化了相机畸变模型(表)降低了系统误差使摄影测量模型能达到这个精度所以 的航高范围内检查点高程误差变化不显著(图)在这个精度级别刺点误差和控制点测第 期陈 凯等:基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究量误差等可能比航高更重要 以控制点测量误差为例本实验采用 的测量方式高程中误差在 左右在 的航高范围内高程误()样区()样区图 航高对 的影响.差的变化可能小于 导致难以通过检查点检测航高对误差的影响 另一方面由于垂直摄影的相机畸变参数分离效果较差自相关性较强当航高变高时将放大相机模型的畸变误差导致高程误差对航高的变化更敏感.控制点饱和数量在有控制点参与光束平差校正的情况下 范围内高程 对航高的变化不敏感为了讨论航高是否影响控制点饱和数量在不同航高下进行了蒙特卡罗控制点检验结果如图 所示结果表明航高从 变到 样区(垂直摄影)的控制点饱和数一直在 左右 样区(倾斜摄影)一直在 左右 这说明航高基本上不影响控制点饱和数也验证了倾斜摄影增加了控制点饱和数的结论()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高()样区 航高图 不同航高下控制点蒙特卡罗检验结果.结论本研究设计了不同的摄影测量数据采集方案和控制点蒙特卡罗检验综合分析了相机倾角、航高和控制点数量对地形建模精度的影响实验结果表明:)在进行无人机摄影测量数据处理时应先使用蒙特卡罗检验对控制点质量进行分析排除控制自 然 资 源 遥 感 年点误差再进行数据处理)在无控制点测量的情况下倾斜摄影有利于改善高程精度 倾斜摄影有利于降低相机畸变参数相关性减少系统误差特别是倾角大于 时可达到使用控制点优化相机畸变模型的相同效果 在有控制点的情况下相机倾角对高程精度的影响不大但是影响控制点饱和数量 相对于垂直摄影倾斜摄影需要略多的控制点才能达到最优精度)在无控制点测量的情况下航高对高程精度的影响与相机倾角有关 使用倾斜摄影时有利于降低高程精度对航高变化的敏感性高程精度在 航高内的变化不明显 使用垂直摄影时高程精度明显随航高变高而降低 在有控制点的情况下高程精度在 航高内的变化不明显同时航高不影响控制点饱和数量在使用消费级无人机进行地形建模时如因条件限制样区难以布设控制点时为了提高测量精度建议使用 的“井”字形倾斜摄影方案同时应当在遥感影像或者其他资料中至少选取 个控制点将摄影测量模型平移、旋转和缩放到正确的位置 如有条件布设控制点时可以根据飞行方案合理优化控制点的布设数量参考文献():.:.():.杨胜天王鹏飞王 娟等.结合无人机航空摄影测量的河道流量估算.遥感学报():.():.代 文汤国安胡光辉等.基于无人机摄影测量的地形变化检测方法与小流域输沙模型研究.地理科学进展():.():.刘树超邵全琴杨 帆等.黄河源区放牧家畜数量及空间分布无人机遥感调查.地球信息科学学报():.():.():.刘见礼廖小罕倪文俭等.顾及单木三维形态的无人机立体影像单木识别算法.地球信息科学学报():.():.:.:.()():.张祖勋张剑清.数字摄影测量学(第 版).武汉:武汉大学出版社.().:.():.:.:.():.:.():.():.:.():.:.():.张纯斌杨胜天赵长森等.小型消费级无人机地形数据精度验证.遥感学报():.():.第 期陈 凯等:基于控制点蒙特卡罗检验的无人机地形建模精度影响因素研究 :.():.桑文刚李 娜韩 峰等.小区域消费级无人机倾斜摄影像控点布设及建模精度研究.测绘通报():.():.:.:.国家测绘局.低空数字航空摄影规范.北京:中国测绘出版社:.:.():.武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础.武汉:武汉大学出版社.:.(.):().().:.:.:.:(责任编辑:陈 理)