无人机航摄像控点布设方法探讨

买小争，杨 波，冯晓敏

(国家测绘局第四航测遥感院，海南海口570203)

一、引 言

无人机航测作为一种新型的低空遥感影像获取技术，是卫星遥感和航空摄影的有力补充。无人机具有机动灵活、经济高效、精细准确等特点，能够快速获取小范围区域和航摄困难地区的高分辨率影像，并生产出该区域的数字正射影像图，在国民经济建设中发挥了重要的作用。

像控点布设是无人机正射影像制作的重要环节，也是外业过程中成本投入比较大的一个部分。利用无人机航测技术装备，获取试验区域1∶1000和1∶2000航片数据，以1∶2000航片数据作为详细研究对象，采用不同像控点布设方法制作出不同精度的正射影像成果。然后在1∶2000试验成果的基础上，选取合适的布设方法对1∶1000数据进行试验。最终总结出制作1∶1000和1∶2000数字正射影像图(DOM)较合理的像控点布设方法，从而提高利用无人机制作正射影像的整体工作效率。

二、试验数据准备

1．试验区域及航摄资料

经过对航摄资料的详细分析，选定海口市新坡测区0．15m无人机航摄影像数据作为1∶2000 DOM制作试验数据，试验区域包括3条航线，75张高分辨率影像，面积5 km2。选定海口市西海岸测区0．1m无人机航摄影像数据作为1∶1000 DOM制作试验数据，试验区域包括9条航线，513张高分辨率影像，面积8 km2。

2．像控资料及布设情况

外业控制成果包括：像控刺点片、实地照片、像控成果信息表。外业像控采取区域网布设方案。此次区域网具体布点方案是：在区域网范围内逐航带、逐航片布设像控点。后期通过不断增加基线数，即不断减少控制点的数量得出不同布设方法对DOM成果精度的影响。同时，在试验区域还均匀布设一定数量的外业检查点用于DOM成果的精度检测。

三、试验区像控点布设方法

外业按逐航带、逐航片布设了密集的像控点，由于无人机载荷相机的像幅小，航摄相片多，重叠度大，试验采用在区域网首端和末端垂直于航线方向且隔一条航线上分别布设一排平高点，每条航线按照相邻平高控制点间隔基线数分别为2条、4条、6条、8条、10条、12条布设。即试验采用隔航带、隔基线6种像控点的布设方法。

四、后期数据处理

1．数据预处理

(1)影像畸变差改正

此次试验采用INPHO作为后处理软件。由于获取的影像数据边缘存在畸变，所以首先根据相机检校参数对影像进行畸变差改正，这是目前所有软件在进行后处理之前必须要做的。

(2)工程建立及影像列表整理

利用畸变纠正过的影像在INPHO中建立金字塔影像，然后根据相机参数文件建立工程，软件会根据原始POS数据建立航带影像缩略图，对影像进行航带排列，人工判断航带建立是否正确，不正确需要重新设置相机或影像的排列顺序，直至航带排列正确。

2．空中三角测量

(1)区域网平差及加密点选取

目前软件的自动化程度较高，软件根据建立好的航带图，像点残差的限值以及控制点的权值，完成区域网平差，人工干预相对较少。软件根据预先设置好的限差会将超限的匹配点删除。对于水域里面的点需要人工检查或删除，并且注意航带间有无连接点，这对后期正射影像航带间是否错位有很大影响。

(2)像控点刺点及控制点平差

外业提供的所有像控点均参加加密量测，并参与加密平差或检核。在立体环境下进行控制点刺点，确保每个像控点正确、无误。

3．正射影像制作

(1)数字高程模型提取及编辑

利用满足精度要求的空三成果，进入软件数字高程模型(DEM)提取模块。设置DEM提取格网间距，完成DEM生成工作。只有准确的DEM才能保证正射影像图的纠正精度，由于影像自动匹配的局限性，DEM编辑需要少量的人工干预，以提高数字高程模型的精度。在编辑时多注意特征点、线、面的编辑，注意城区居民地以及立交桥和桥梁的编辑。

(2)正射影像纠正及影像的镶嵌拼接和

匀光匀色

利用生成的DEM在正射影像纠正模块中生成单张正射影像，在影像拼接模块，加载单张正射影像进行正射影像拼接，软件根据设置好的参数完成正射影像匀光匀色和拼接，对影像错位的地方可以通过调整镶嵌线进行修复。

(3)DOM成果检查

首先，对于不同布设方案生成的DOM成果均进行检查，没有变形、扭曲的情况，尤其是房屋、道路、桥梁。经过匀光匀色，整个区域影像色彩过度自然、影像清晰、反差适中、层次分明、纹理信息丰富，避免图像处理所留下的痕迹。其次，利用外业检查点对不同布设方法生产的DOM成果进行精度检查。隔航带、隔8条基线布设像控点制作的DOM成果如图1所示。

图1 隔航带、隔8条基线布设控制点制作DOM成果

五、试验结果精度统计

1．1∶2000试验结果精度统计

1)加密点中误差结果见表1。

表1 加密点中误差结果 m

结果显示，隔航带、隔2～12条(等差为2)基线布设控制点均满足《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 7391—2008)(以下简称规范)中的内业加密点中误差精度要求。

2)绝对定向后，基本定向点和多余控制点平均误差见表2。

表2 基本定向点和多余控制点平均误差 m

结果显示：隔航带、隔2～12条(等差为2)布设控制点，绝对定向后基本定向点和多余控制点的平面位置限差均满足规范精度要求;从具体定向点和多余控制点单点误差来看，隔航带、隔2、4条基线布设控制点，绝对定向后基本定向点和多余控制点的高程限差均满足规范精度要求;隔航带、隔6～12条(等差为2)基线布设控制点，虽然总体高程平差精度满足要求，但是检查点精度整体降低，还出现个别检查点的高程误差超限情况。因为控制点数量的减少，导致了高程精度降低，其结果不满足规范中绝对定向后高程限差要求。

3)正射影像精度检测：利用不同像控点布设方法得到的空三结果，生产出对应的数字正射影像成果。利用野外均匀分布的检查点对正射影像平面精度进行检测，其检测结果见表3。

表3 正射影像精度检测表 m

经过对正射影像的平面精度进行检测，隔航带、隔2～8条(等差为2)基线布设控制点所制作的正射影像无论从检查点的单点误差还是平均误差均能满足规范精度要求。隔航带、隔10～12条(等差为2)基线布设控制点所制作的正射影像存在较多检查点误差超限的情况，说明这两种像控点布设方法会导致正射影像局部平面误差超限。

2．1∶1000试验结果精度统计

从以上试验来看，生产1∶2000正射影像成果隔航带、隔8条基线布设控制点最为合理。在此试验成果的基础上，采用隔航带、隔6条基线布设控制点生产1∶1000正射影像，并对其成果精度进行检测。

1) 加密点中误差mX= ±0．028m，mY= ±0．026m，mZ= ±0．060 m，其中最大残差 Xmax=0．180 m，Ymax=0．250 m，Zmax=0．359 m，其结果满足规范中内业加密点的精度要求。

2)绝对定向后，基本定向点残差ΔX=0．157 m，ΔY=0．133m，ΔZ=0．108m，多余控制点残差ΔX=0．270 m，ΔY=0．250 m，ΔZ=0．190 m，其结果满足规范中绝对定向后平面位置和高程限差要求。

3)利用外业检查点对该像控点布设方法生产的正射影像进行平面精度检测，影像坐标量测平均误差为0．472 6 m，满足规范的精度要求。平面平均误差已经接近规范的限差要求，其中也出现许多检查点误差接近限差的情况，如果再增大基线数会导致影像整体平面误差超限。采用此方法布设控制点满足1∶1000正射影像制作的精度要求，同时也是最为合理的布设方法。

六、试验结果比较分析

制作1∶2000正射影像图，通过对像控点不同布设方法的精度统计，可以看出：

1)前3种方案即隔航带、隔2、4、6条基线布设像控点，其平面平均中误差分别为 ±0．314 5 m、±0．298 0 m、±0．307 7 m，完全满足规范≤1．2 m的精度要求，并且每个检查点的单点中误差也都符合规范要求。可以看出由于控制点比较密集，得出的正射影像精度差别不大。此3种像控点布设方案完全可以满足规范精度要求，但是外业工作量比较大。

2)隔航带、隔8条基线布设像控点，其平面平均中误差为±0．697 1 m，满足规范≤1．2 m的精度要求。每个检查点的单点中误差也符合规范要求。但与前3种方案相比，在控制点减少的情况下，虽然检查点的单点中误差增大，整体精度出现明显下降，但是此种方法在满足规范精度要求前提下，同时也大大减少了外业工作量。

3)隔航带、隔10条基线布设像控点，其平面平均中误差为±0．779 1 m，没有超出规范的限差要求，但其检查点单点平面中误差有超限情况，超限差比例为8%，并且接近限差的检查点比例为25%。说明在控制点减少的情况下，此种方案制作的正射影像整体精度出现下降，局部范围精度会超出规范限差要求。正射影像面积越大，对精度的影响也会增大。

4)隔航带、隔12条基线布设像控点，其平面平均中误差为±0．968 0 m，虽然没有超出规范限差要求，但是检查点单点平面中误差超限比例为33%，接近限差要求的检查点比例为50%。所以，此种布设方法已经不宜采用。

制作1∶1000正射影像图，通过对像控点布设方法的精度统计，可以看出：

隔航带、隔6条基线布设像控点，其平面平均中误差为±0．472 6 m，可以满足规范≤0．6 m的精度要求。其中接近限差要求的检查点比例为42%，说明此种布设方法制作正射影像整体精度已经接近规范的限差要求。所以，此种布设方法是最为合理的。

七、试验结论和需要注意的问题

1．试验结论

通过以上试验结果，可以得出一些结论：

1)制作1∶2000数字正射影像，隔航带、隔12条以内布设像控点都可以满足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 7930—2008)的精度要求。但随着测区的面积增大和有不规则的区域的存在，同时考虑无人机飞行姿态不稳定等因素。从内外业综合考虑，采用隔航带、隔8条基线布设像控点最为合理。

2)制作1∶1000数字正射影像，隔航带、隔6条基线布设像控点满足《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量内业规范》的精度要求，同时也是最为合理的布设方法。

2．需要注意的问题

1)保证质量较好的数据源。无人机在航摄时尽量保持较好的飞行姿态，航摄时光线比较充足，以便获取较好质量的原始航片。

2)为了保证整个测区的精度控制，飞行架次的首尾航带，以及航带的首尾航片最好布设像控点。

3)在不规则区域，如整个测区相对突出的地方，相应要增加布设像控点，保证整个测区的构网精度。

八、结束语

利用无人机航拍成果制作DOM时，不仅在航飞阶段要严格遵循飞行设计，在像控点布设和后处理等环节中也都有着严格的要求。试验采用固定翼无人机飞行平台，单GPS定位，配备佳能5D MarkⅡ数码相机，这些无人机配置在目前国内应用比较广泛。通过对无人机航摄像控点布设方法的探讨，总结出制作1∶1000和1∶2000数字正射影像图较合理的像控点布设方法，大大减少了外业工作量和生产成本，有利于提高无人机制作数字正射影像的整体工作效率。

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