基于方格网算法的无人机航摄成图精度研究

万义有,李勇华

(江西有色地质勘查三队,江西 新余 338000)

低空航拍高分辨率影像和实地点观测是现代大比例地形图制作的关键,其成图效率和精度远超传统的全站仪、水准仪[1]。近年来,无人机航拍摄影与倾斜摄影技术相结合,不断推出三维模型地图产品,在城市应急、森林防火、规划建设等方面发挥了不可忽视的作用。如今,无人机航空摄影测量技术在大比例测图中的应用越来越广泛,其成图精度问题也得到了业内学者的关注。目前,已有大量学者从像控点数量、航摄系统优化、空中三角形加密算法等方面对其精度的提高进行了研究[2]。然而,针对倾斜摄影三维模型高程精度的研究还不充分。为此,本文针对大比例地形图三维模型高程拟合问题进行了深入研究,提出了方格网拟合算法,减少了对实地观测点的依赖,降低了高程拟合的误差。

1 方格网算法的原理分析

方格网是工程制图的基本概念,常常以正方形、长方形的形式对平面控制网进行划分,以便得到计算处理最小单元[3]。在在地形图的制作过程中,方格网常常成为矢量文件的划分单元,通过一定算法要求对各个方格内部的数据点属性进行统一处理和编辑。方格网的用处比较多,包括：在矢量文件栅格化处理中,以方格网为基础,将图形的各部分转化为栅格像元,从而达到栅格化目的；在进行土方量计算、图形面积计算中,借助方格网的面积、体积,按照“四舍五入”的原则进行加和计算,得到结果；在高程加密中,以方格网估算距离,进行差值,得到不同密度的高程网。

方格网算法则是在方格网的基础上,以方格为处理单位,对方格内的数据点进行平均化处理。以高程拟合应用为例,在处理(X,Y,Z)格式数据点时,在(X,Y)构成的平面上生成单位长度的方格,形成方格网,而每个方格的高程值采用方格内所有数据点的高程平均值。如此一来,同一方格内数据点的高程值得到了平均化处理,大大规避了个别高程值对整个高程拟合的偏离影响,减少了局部错误,提高了整体的高程拟合效果。

2 无人机航摄成图的工作流程

图1 无人机航摄成图的工作流程图

无人机航摄成图包含着外业数据采集和内业数据处理两部分工作[4],结合多年工作经验,其主要工作流程步骤如图1所示。首先,根据测区面积、形状以及无人机持续飞行能力,制定飞行方案,确定航带方向、航带数量；然后,对测区进行像控点布设,选定明显特征点观测,得到一系列像控点；接着,对影像数据进行预处理,调整影像的角度、格式、存储方式；将数据导入数据处理软件进行空中三角形加密处理,得到自动化处理模型；最后通过方格网算法对三维模型的高程进行精度优化和模型调整,得到最终的高程产品。

3 无人机航摄成图的精度控制

3.1 三维模型制作过程高程误差控制

为了进一步控制高程误差,本文还从以下2个方面对三维模型的高程误差进行了控制：第一：利用POS,剔除模糊影像。在进行三维模型处理前,将受光线、拍摄角度偏差、光照强度差异等因素影响的劣质影像进行剔除,避免质量差影像数据信息对整个三维模型拟合的干扰。第二：像控点多余观测,提高匹配精度[5]。根据测量区域的特点,在原像控点布设方案的基础上,进行了二次布设,对高程变化剧烈、地物复杂、地物位置干扰大的区域进行了加密布设。多余的像控点观测增加了光束法区域网平差的限制,使得空中三角形加密匹配精度得以提高。

3.2 方格网算法对高程拟合精度的控制

方格网算法在对三维高程拟合的过程中,对高程精度的控制体现在两个方面：第一：将采用单一高程点值进行拟合处理转变为采用方格高程点平均值拟合,避免了单一高程点偏离实际位置造成的精度影响；第二：在高程拟合过程中,将多个格网的数据运用到高程差的估算,使得高程产品差值的高程数据更加精确,尤其在地物复杂多变的区域中,方格网算法能够很好的发挥小范围高精度拟合优势。

4 应用实例

4.1 测区概况

本文选取了新余市渝水区某测区,距离市中心约20km,总面积94km2,包含了丘陵、山区、半山区等典型地形,整个测区高程差超过100m,因此,高程误差不得忽视。本次采用了CGCS2000平面坐标系,1985国家高程基准,对人工实测困难、地形十分复杂的部分进行了方格网算法拟合。

4.2 数据获取与处理

外业采用四旋翼型无人机系统,采用五镜头倾斜相机,将整个区域分为两部分,8个航带进行影像数据采集；在墙角、路口以及具有明显区分性地点进行RTK实测,一部分用于高程拟合计算；另一部分用于拟合效果监测计算；内业采用Smart3D二次开发程序初步生成三维影像图,采用DP-Modeler进行方格网算法高程拟合,对三维影像模型进行调整和优化。

4.3 数据处理过程

首先,采用Smart3DCapture三维处理软件处理,导入像控点、刺点约束数据,进行空中三角形解算,查看空三关系模型有无明显错误；然后,运用瓦片技术进行三维重建,得到初步三维模型；最后,将空三结果导入到DP-Modeler软件中,在此软件下,运用方格网算法,对三维模型的高程进行矢量化处理,得到三维模型一系列的高程值。

4.4高程拟合精度分析

为了验证方格网算法在三维模型高程误差约束中的作用,选取了测区内的部分点通过与实测数据对比,进行了精度统计,得到表1结果。

表1 测区内拟合高程与实测数据的比较

基于高程中误差公式,对37点高程差进行求解,得到中误差为0.24m,其中最大高程误差为0.529m,最小高程误差为0.033m。结合表1部分数据可以看出,方格网算法对高程误差的约束有着明显效果,高程误差都在1∶2000大比例地形图的误差标准范围内。

5 结语

本文通过对无人机航摄成图三维模型高程误差约束的研究,提出了方格网高程拟合算法,以方格为单位,将高程值平均化,大大降低了单一高程值点误差对整个高程网拟合的精度影响,实验证明,此方法是有效的,具有一定的推广价值。