呂樹春

（自然資源部第二大地測量隊(duì)（黑龍江第一測繪工程院），黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

消費(fèi)級無人機(jī)的普及應(yīng)用大大降低了設(shè)備成本，同時(shí)也為低成本高效率的大范圍地物測繪提供了可能。相較于專業(yè)級無人機(jī)設(shè)備，消費(fèi)級無人機(jī)不僅自身設(shè)備成本相對較低，且具有方便攜帶、操作簡單、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)等優(yōu)勢［1］，通過搭載高分辨率相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率地物影像的快速獲取，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測量方式僅能夠從單一角度獲取地物信息的弊端，在保障測繪成果質(zhì)量的同時(shí)降低了航攝作業(yè)測繪成本，提高了測圖效率。

消費(fèi)級無人機(jī)可以搭載單鏡頭和多鏡頭進(jìn)行航攝作業(yè)［2］，為追求持續(xù)續(xù)航作業(yè)，目前普遍采用單鏡頭作業(yè)方式，航攝效率較高，但單鏡頭作業(yè)方式對于地物信息的全方位影像獲取存在一定的局限性［3］，航攝影像及實(shí)景三維模型成果較難滿足生產(chǎn)使用要求。因此，本文重點(diǎn)針對消費(fèi)級無人機(jī)搭載多鏡頭作業(yè)方式進(jìn)行分析研究，通過在大疆精靈4無人機(jī)上搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝作業(yè)，對像控點(diǎn)數(shù)量及影像傾向?qū)罩腥菧y量精度的影響以及不同像控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行分析，探索不同應(yīng)用條件下的像控點(diǎn)最佳布設(shè)方式，進(jìn)一步改善消費(fèi)級無人機(jī)在數(shù)字化城市建設(shè)中應(yīng)用方式，提高數(shù)字城市三維實(shí)景模型成果精度。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取

本次研究選用某學(xué)校場地進(jìn)行試驗(yàn)測試，校區(qū)總面積約為0.44 km2，教學(xué)樓等建筑分布較為密集，多為6 層左右的低矮建筑，但存在體育館、天文臺(tái)等形狀不規(guī)則的建筑類型，同時(shí)校區(qū)內(nèi)還存在人工湖、低矮小山丘、綠化用地以及硬化路面等，地物類型相對較為豐富，具有較強(qiáng)的典型性，能夠最大程度模擬城市真實(shí)環(huán)境。

本次研究采用大疆公司推出的大疆精靈4 多旋翼航拍消費(fèi)級無人機(jī)，整體操控性能較為優(yōu)良，機(jī)身輕便靈活，續(xù)航能力強(qiáng)，且采購費(fèi)用相對較低，適合小范圍區(qū)域內(nèi)的航攝作業(yè)［4］。無人機(jī)上搭載的傾斜攝影鏡頭為KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)，該相機(jī)是為大疆精靈4 定制研發(fā)的新型傾斜攝影系統(tǒng)，重量相對較小，像素較高，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率地物影像的全方位快速采集［5］。無人機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表1所示，相機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表1 大疆精靈4 消費(fèi)級無人機(jī)參數(shù)

表2 KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)參數(shù)

由于消費(fèi)級無人機(jī)續(xù)航能力有限，為確保無人機(jī)在完成航攝作業(yè)的同時(shí)能夠順利返航，需依據(jù)測區(qū)大小進(jìn)行分區(qū)作業(yè)。本次研究將研究區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域，航攝作業(yè)相對航高為200 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，共計(jì)獲得了780 張下視航攝影像，2945 張傾斜影像。以傾斜攝影垂直和傾斜傾向的外方位元素為依據(jù)，采用并行算法對航攝影像進(jìn)行多視影像精準(zhǔn)匹配，構(gòu)建密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取航攝影像中的同名點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)而生成數(shù)字地表模型。

2 空中三角測量精度評價(jià)

空中三角測量是無人機(jī)傾斜攝影測量的核心環(huán)節(jié)，其成果精度會(huì)對傾斜攝影測量成果質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，能夠在一定程度上反映傾斜攝影測量成果質(zhì)量。本次研究采用搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)的大疆精靈4 無人機(jī)獲取試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)下視影像和不同方向的傾斜影像，通過改變像控點(diǎn)數(shù)量的形式對傾斜影像、下視影像以及多視影像的空三精度進(jìn)行分析研究，分別統(tǒng)計(jì)布設(shè)不同數(shù)量像控點(diǎn)的情況下，傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差，計(jì)算式如式（1）所示：

式中：ms為航攝影像平面中誤差；mh為航攝影像高程中誤差；mx為x方向的坐標(biāo)中誤差；my為y方向的坐標(biāo)中誤差。

本次研究在該校區(qū)試驗(yàn)場地內(nèi)，按照相同航線、相同航攝參數(shù)進(jìn)行外業(yè)航攝作業(yè)，逐漸增加像控點(diǎn)數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同影像空三成果精度對比

圖2 傳統(tǒng)攝影測量像控點(diǎn)布設(shè)方案

由圖1 可知：隨著像控點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，傾斜影像、下視影像以及多視影像空三解算成果的平面及高程中誤差均呈現(xiàn)下降趨勢，即多種影像空三解算成果平面和高程精度均有所提高；當(dāng)像控點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，航攝影像精度相對較差，不斷增加像控點(diǎn)數(shù)量，中誤差大幅度降低，其中傾斜影像下降幅度最大，多視影像下降幅度最?。划?dāng)像控點(diǎn)數(shù)量達(dá)到15 個(gè)之后，中誤差開始逐漸趨于平穩(wěn)，持續(xù)增加像控點(diǎn)數(shù)量航攝影像精度也無法得到有效提升。因此表明在本次航攝作業(yè)過程中，為追求航攝影像精度和外業(yè)測量工作量的最優(yōu)組合，應(yīng)將像控點(diǎn)數(shù)量保持在15 個(gè)左右。

對相同數(shù)量像控點(diǎn)條件下傾斜影像、下視影像以及多視影像的平面及高程中誤差進(jìn)行分析可得，無論布設(shè)多少個(gè)像控點(diǎn)，傾斜影像空三解算成果平面和高程中誤差均高于下視影像和多視影像，且多視影像中誤差最低；當(dāng)像控點(diǎn)數(shù)量為4 個(gè)時(shí)，3 種影像空三解算成果平面和高程中誤差均達(dá)到最大值，其中，傾斜影像空三解算成果平面中誤差為0.146 2 m，高程中誤差為0.064 5 m；下視影像空三解算成果平面中誤差為0.093 3 m，高程中誤差為0.026 4 m；多視影像空三解算成果平面中誤差為0.075 0 m，高程中誤差為0.007 8 m。這些均能滿足《工程攝影測量規(guī)范》中對于空三加密成果的精度要求，但傾斜影像空三解算成果精度較差，多視影像空三解算成果精度最優(yōu)，分析原因?yàn)橄衿瑑A斜時(shí)容易引發(fā)像點(diǎn)位移，從而使得影像成果誤差變大。

綜上所述，采用五鏡頭相機(jī)進(jìn)行航攝作業(yè)，合理布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量，獲取多視影像數(shù)據(jù)，能夠大大降低野外數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量，同時(shí)可以保障最優(yōu)航攝影像精度。但由于研究區(qū)面積僅為0.44 km2，面積較小，地表建筑和地物類型種類有限，地形起伏相對較小，存在一定的局限性，有待后續(xù)采用復(fù)雜城市環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步論證。

3 傾斜攝影測量像控點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案

傳統(tǒng)攝影測量航攝作業(yè)多采用如圖3 所示的幾種像控點(diǎn)布設(shè)方案，盡可能使得像控點(diǎn)能夠覆蓋整個(gè)測區(qū)［6］。但由于不同航攝測區(qū)特點(diǎn)不同，傳統(tǒng)像控點(diǎn)布設(shè)方案往往較難實(shí)施，且航攝成果精度相對較差，難以滿足生產(chǎn)使用需求。在傾斜攝影數(shù)據(jù)采集過程中，一般將航攝重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度控制在70%～80% 之間［7］，采用圖3 中的像控點(diǎn)布設(shè)形式容易造成測區(qū)中間區(qū)域航攝影像較為密集，而四周區(qū)域航攝影像較為稀疏，從而使得測區(qū)四周邊緣區(qū)域精度相對較差［8］。因此，為提高航攝作業(yè)成果精度，同時(shí)最大程度減少像控點(diǎn)數(shù)量，降低野外數(shù)據(jù)采集工作強(qiáng)度，有必要對傾斜攝影測量像控點(diǎn)布設(shè)方法進(jìn)行優(yōu)化研究，尋求符合成果精度要求的最佳布控方案。

圖3 傾斜攝影測量像控點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2 優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)方案

為使研究結(jié)果更加貼合城市復(fù)雜地物類型及特殊地形環(huán)境，本次試驗(yàn)選擇某山區(qū)城市進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)方案優(yōu)化研究，相較于校園內(nèi)地形情況，該山區(qū)城市研究區(qū)域地表起伏較大，測區(qū)面積為1.821 km2，地物類型復(fù)雜多樣，包含高層居民建筑、平房、人工湖、山區(qū)景點(diǎn)等多種地物類型，是城市復(fù)雜地形環(huán)境的縮影?？紤]到消費(fèi)級無人機(jī)在航攝作業(yè)過程中容易受到航向和旁向重疊度以及像片旋角等因素的影響［9］，依據(jù)其對測區(qū)的航攝影像覆蓋特征，本次研究共計(jì)設(shè)計(jì)6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案，如圖4 所示，三角形標(biāo)識(shí)為布設(shè)的像控點(diǎn)，圓形標(biāo)識(shí)為檢核點(diǎn)，像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)總數(shù)為63 個(gè)。

方案1：測區(qū)四角像控點(diǎn)單點(diǎn)布設(shè)方案，即在測區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)59 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案2：測區(qū)四角像控點(diǎn)點(diǎn)組布設(shè)方案，即在測區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)2 個(gè)像控點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)55 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案3：測區(qū)四邊像控點(diǎn)均勻布設(shè)方案，即在測區(qū)四周均勻布設(shè)12 個(gè)像控點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)51個(gè)檢核點(diǎn)；

方案4：測區(qū)四角點(diǎn)組布控及測區(qū)周邊均勻布控聯(lián)合布設(shè)方案，即在測區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)2 個(gè)像控點(diǎn)，同時(shí)在測區(qū)四周均勻布設(shè)8 個(gè)像控點(diǎn)，共計(jì)16 個(gè)像控點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)47 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案5：測區(qū)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)像控點(diǎn)均勻布設(shè)方案，即在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，邊角位置不考慮加密或單獨(dú)布設(shè)，共計(jì)布設(shè)15 個(gè)像控點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)48 個(gè)檢核點(diǎn)；

方案6：測區(qū)四角像控點(diǎn)點(diǎn)組布控及測區(qū)區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)均勻布控聯(lián)合布設(shè)方案，即在測區(qū)四個(gè)邊角分別布設(shè)2 個(gè)像控點(diǎn)，同時(shí)在測區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)11 個(gè)像控點(diǎn)，共計(jì)19 個(gè)像控點(diǎn)，測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)44 個(gè)檢核點(diǎn)。

3.3 空三精度分析

對以上6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案的空三解算成果進(jìn)行精度評定，分別計(jì)算各個(gè)像控點(diǎn)布設(shè)方案的空三成果平面和高程中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。

表3 方案1—方案6 空三解算成果精度對比單位：m

對表3 進(jìn)行分析可知：

1）方案5 空三解算成果平面中誤差最小，為0.043 7 m，方案6 空三解算成果高程中誤差最小，為0.010 1 m；方案5 和方案6 均涉及在測區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)大量像控點(diǎn)，空三解算成果精度相對較高，但同樣外業(yè)測量工作量較大；當(dāng)對無人機(jī)傾斜攝影測量成果有較高要求時(shí)，可采用方案5 或方案6 進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，最大程度保障成果精度。

2）方案1 為測區(qū)四角單點(diǎn)布設(shè)像控點(diǎn)，空三解算成果相對較低，但滿足規(guī)范中空三解算精度要求；方案2 是在方案1 的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在測區(qū)四角采用點(diǎn)組的形式布設(shè)像控點(diǎn)，空三解算精度有所提升，但仍舊低于測區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)像控點(diǎn)空三精度；但方案1 和方案2 布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)量相對較少，外業(yè)測量作業(yè)工作量較小，當(dāng)對測繪成果精度要求不高時(shí)，可采用該方案快速作業(yè)。

3）方案3 像控點(diǎn)數(shù)量相對較為適中，適用于在測區(qū)內(nèi)部無法布設(shè)像控點(diǎn)的項(xiàng)目，如，搶險(xiǎn)救災(zāi)地形測繪等；若要盡可能保障傾斜攝影測繪精度，可利用四角點(diǎn)組和測區(qū)周邊聯(lián)合布控方式，增加像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量，提高成果精度。

綜上所述，以上6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案空三解算成果均能滿足《工程攝影測量規(guī)范》要求，在實(shí)際作業(yè)過程中，依據(jù)測區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)難度及對測繪成果精度的實(shí)際要求，合理選擇像控點(diǎn)布設(shè)方式，因地制宜，提高作業(yè)效率。

4 結(jié)語

本次研究通過采用大疆精靈4 消費(fèi)級無人機(jī)搭載KG2000 Pro 五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝作業(yè)，對傾斜影像、下視影像以及多視影像空三精度進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了同等數(shù)量像控點(diǎn)條件下多視影像的空三成果精度最佳；并以增強(qiáng)測區(qū)邊角控制權(quán)重為目的，以大面積復(fù)雜地物類型城市區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)對象，設(shè)計(jì)6 種像控點(diǎn)布設(shè)方案對傳統(tǒng)布點(diǎn)方法進(jìn)行優(yōu)化研究，對比分析不同方案的空三解算成果精度及像控點(diǎn)布設(shè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在相同測區(qū)面積、相同地物類型條件下，測區(qū)區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)像控點(diǎn)空三解算成果精度相對較高，但像控點(diǎn)數(shù)量較多，大大增加了外業(yè)測繪工作量；四角布設(shè)像控點(diǎn)成果精度雖然較低，但滿足規(guī)范精度要求，適用于測區(qū)影像覆蓋率相對較高，測區(qū)內(nèi)部不易進(jìn)入、難以布點(diǎn)的航攝項(xiàng)目。