【干貨】控制點布設對無人機影像空三精度的影響

作者：朱進，丁亞洲，陳攀杰，王新安，郭丙軒，肖雄武，牛科科

摘　要：針對無人機航測按照傳統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航測的最優布點方案。通過對6種無人機控制點布設方案(傳統的攝影測量布點方案和5種適合無人機航測的布點方案)進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量要少，大大減少了內、外業工作量。該方法的意義在于較好地解決了無人機航測因像幅小、重疊度不規則而導致的外業和內業工作量大的難題。

關鍵詞：控制點布設;空三精度;無人機影像

0　引言

無人機(unmanned　aerial　vehicle，UAV)航測影像像幅小，且易受飛行質量影響，暫時還難以達到傳統的空三測量水平，采用傳統的攝影測量布點方式，不但控制點數量多，而且實施起來比較困難，因此，無人機影像控制點的布設不能完全使用傳統航測的布設方式[1-2]。現階段，無人機航測成圖的基本方法主要可分為兩類：①GPS輔助無控制點數據的無人機航測成圖[3-5];②針對無人機影像特點參照傳統的攝影測量流程進行的處理[6-9]。目前，方法②應用較多，如蘇世偉和汪云甲提出控制點立體、均勻分布在測區，加強測區邊沿的控制點布設方案精度較高[10];祝曉坤、張海濤等人提出利用數理統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，本文通過總結無人機航測外業控制與成圖精度的關系[13]，分析控制點的分布和密度對其影響，對均勻布設做了一些調整，從而選取一種適合無人機航測的最優控制點布設方案。它的意義在于不僅較好的解決了無人機航測因像幅小、重疊度不規則而導致的外業和內業工作量大的難題，而且對于提高無人機攝影測量成圖精度有一定的參考意義和價值。

1　無人機航測的控制點布設

1.1 無人機航測與傳統航測的區別

1)無人機影像像幅小、影像數據量大，使得內業和外業的工作量加大，效率低。

2)航向重疊度不規則：由于無人機影像傾斜角過大且傾斜方向沒有規律，造成航向重疊度不規則、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則，這對于連接點的提取和布設增加了難度。

所以，傳統航測采用的航向3條基線布設一個平高點，航區按四排平高點設計布設控制點，即在6°重疊區(航帶內3°重疊，航帶間2°重疊區)布設控制點的方式并不適合無人機航測[14]。實驗表明，無人機航測適合采用均勻布設控制點的方式[2]。我們通過調整控制點的密度和分布來選取一種適合無人機航測空三解算的最優控制點布設方案。

1.2 無人機航測布設控制點的原則

根據無人機航測的特點，我們按照以下原則對其進行布設控制點。

1)在區域的四周布設平面控制點，在區域較大時，可以采用點組形式布設(對于無人機攝影，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)高程控制點應布成鎖形。在高精度加密平面點位時，仍需要布設適當的高程控制點，以保證模型的變形不一致對平面坐標產生影響，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區域網的控制點，則有關平面的觀測值(如距離、水平角、方位角等)最好布在區域周邊或四周，有關高程的相對觀測值(如高差、高度角等)應平行于航帶方向布設[15-16]。

2　無人機航測控制點布設方案對比分析

2.1 無人機航測控制點布設方案

圖1 傳統無人機航測

若采用傳統航測的布點方式(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，無人機航測中，我們一般不用這種方法。本文根據上述無人機航測布設控制點的特點和原則，我們設計了以下6種無人機控制點布設方案：

1)采用四角單點布點方式(圖2(a))：即只在測區的四個角布設控制點。

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

3)四周均勻布設，邊角不加密(圖2(c))：即在測區四周按照一定密度均勻布設控制點。

4)采用四周邊均勻布設，四角點組布點方式(圖2(d))：即在測區四周按照一定密度均勻布設控制點，邊角處采用點組布設。

5)采用四周邊均勻布設加少量內部點的布設方案(圖2(e))：即在測區四周采用均勻布設控制點的方式，使用少量的內部控制點。

6)采用四周邊均勻布設，四角點組布點，加少量內部點的布點方式(圖2(f))：即在測區四周均勻布設控制點，邊角處采用點組布設。

圖2 適合無人機航測的6種布設方案

2.2 無人機控制點布設實驗

在控制點分布與密度對無人機航測空三精度影響的研究中，我們選取了6種典型的布設方案，進行成果精度的分析和對比。以湖北省咸寧某區域作為實驗區域，展開無人機航測獲取該區域的無人機影像數據序列，圖3為實驗區域無人機影像航帶圖和控制點分布圖，表1為作業區的相關信息。要求作業區的控制點精度相同，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精度也滿足作為平面控制點的精度，同時高程坐標的精度也滿足單獨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方案的對比研究，來說明3種典型布設方案的優劣，找出無人機航測在滿足精度的要求下最省外業的測量方法，為無人機更好應用和提高無人機攝影測量成圖精度提供有意義和有價值的參考。

圖3 實驗區域無人機影像航帶圖和控制點分布圖

表1 無人機攝影數據相關信息

2.3 像控點布設與空三實驗

1)采用四角單點的布點方式，即只在區域的四角布設6平高控制點(點b02，b03，b05，b07，b19，b21)，圖4(a)中三角所標示的為控制點(下同)，其余的26個為量測控制點，被設為檢查點。經光束法平差計算可得四角6個平高控制點與區域網內部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，即在區域的四角布設平高控制點(點a1，a2，b01，b02，b03，b05，b07，b19，b21)，且布設成點組形式，其余的23個量測控制點，被設為檢查點。經光束法平差計算可得四角9個平高控制點與區域網內部23個檢查點的殘差分布，如圖4(b)。這樣的布點是在方法1)的基礎上，把單點布設改為點組布設，使整體精度有所提高。

3)采用四周邊均勻布設，四角點組布點方式。即在四周均勻布設、四角點組加密布設，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個內部控制點被作為量測控制點。經光束法平差計算可得周邊18個平高控制點與區域網內部14個檢查點的殘差分布，如圖4(c)。該方案在方案2)的基礎上，增強了對周邊點的控制。

4)采用四周邊均勻布設方式。即只在四周均勻布設控制點四角點組不加密。該方案共布設14個平高控制點(a2，a5，a10，a12，a14，b02，b03，b07，b10，b11，b17，b18，b19，b21)，經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、再加布設少量內部點的布設方案。即在方案4)的基礎上，增加兩個內部控制點(a8，b08)。經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，四角點組布點，加中間點的布點方式。即在第3種方法的基礎上，增加4個中間控制點(a3，a9，b12，b14)。經光束法平差計算可得區域網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方案，對其相應的精度指標進行統計如表2所示。

表2 不同控制點布點方案光束法區域網平差統計結果對比

通過表2各種不同控制點布設方案實驗結果統計對比，我們可以得出：

1)只在區域四角布設平高控制點，雖然控制了整個測區，但是控制點精度太低。相較之下，區域四周均勻布設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，加少量區域中間點的布點方式精度最高。根據數字化測圖規范，這種控制點布設方案所獲的結果完全能滿足1∶2　000的數字化成圖。

3)本次實驗特意設定了點組控制點布設方案與單點布設方案實驗比較，實驗結果證明，點組布設方式與單點布設方式相比，其精度有著明顯的提高，甚至恰當的區域四角點組布設控制點比四角單點布設加區域中間布設控制點的精度都要高，這就意味著對于光束法平差來說，只要區域周邊均勻布點及區域四角布設合適的點組，那么區域中可以不用布設控制點，這樣就大大方便了大型區域網控制點的布設，也提高了外業工作效率。

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，點組均勻布設時，控制點的數量對空三精度的影響。過多的控制點不但大大增加外業和內業的工作量，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 點組均勻布設時，控制點數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

由于無人機區域網空中三角測量的精度最弱點位于區域的四周，而不在區域的中央，區域內部精度高而且均勻，精度薄弱環節在區域的四周。從各方案比較分析可以得出：在條件允許的情況下，控制點應該均勻布設在攝區，并且要加強測區邊角的控制。這樣做不但可以在滿足精度要求條件下減少控制點的數量，而且可以有效改善區域四周的精度。

4　結束語

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

在實踐中，我們發現：無論區域大小，四周均勻布設控制點，四點布設平高控制點均有利于保證區域內部的精度。一般情況下，單點布設的精度都不如點組布設精度高，而且點組布設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將控制點的權值設計較小，在迭代過程中應根據單位權中誤差的大小逐步加大控制點的權值，這樣就能獲得較高精度的平差結果。

參考文獻

[1]　薛阿亮.無人機航測技術的應用與實踐[J].陜西煤炭，2013，32(6)：70-72.

[2]　買小爭，楊波，馮曉敏.無人機航攝像控點布設方法探究[J].測繪通報，2012(增刊)：268-271.

[3]　崔紅霞，孫杰，林宗堅.無人機遙感設備的自動化控制系統[J].測繪科學，2004，29(1)：47-49.

[4]　宮阿都，何孝瑩，雷添杰，等.無控制點數據的無人機影像快速處理[J].地球信息科學學報，2010，12(2)：255-259.

[5]　李學友.IMU/DGPS輔助航空攝影測量綜述[J].測繪科學，2005，30(5)：110-113.

[6]　龔濤.近景攝影測量控制點布設方案的研究[J].西安交通大學學報，1997，32(3)：330-335.

[7]　韓杰，王爭.無人機遙感國土資源快速監察系統關鍵技術研究[J].測繪通報，2008(2)：4-15.

[8]　袁桂生，智愛玲.數字航攝相機(DMC)在測繪項目中的應用的探討[J].現代測繪，2005，28(4)：30-31.

[9]　張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2002.

[10]蘇世偉，汪云甲.通過控制點布設探究航測精度[J].測繪科學，2012，37(6)：115-117.

[11]祝曉坤，張海濤，董明.基于數理統計分析的數字攝影資料空三布點方案選擇[J].測繪科學，2006，31(增刊)：57-59.

[12]喬煒，單靜.DMC數碼航空影像像空點布設方案研究[J].測繪通報，2013(11)：81-83.

[13]羅偉國.關于無人機航測系統外業像控的探討[J].礦山測量，2012(5)：56-58.

[14]王聰華.無人飛行器低空遙感影像數據處理方法[D].青島：山東科技大學，2013.

[15]鄧廷起.無人機空中三角測量研究與應用[D].武漢：武漢大學，2011.

[16]黃世德.航空攝影測量學[M].北京：測繪出版社，1985

來源：《測繪科學》2016年5月