像控点布设对无人机小范围非规则区域实景建模精度的影响

张光祖,王春,徐燕,陶宇,吴亮,盛帅

(1.安徽理工大学 测绘学院,安徽 淮南 232001;2.实景地理环境安徽省重点实验室,安徽 滁州 239000;3.滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

实景模型是对现实世界的虚拟表达,能真实直观地还原地物地貌特征,被广泛应用于城市规划[1]、资源管理[2]、应急指挥[3]等方面．当下对于实景模型构建的数据源主要包括大例尺地形图和外业人工拍照组合[4-5]、激光点云数据[6-7]和传统航空摄影测量[8],虽然由此构建的实景模型取得了良好的应用效果,但存在更新慢、成本高、效率低等问题,制约了实景模型的发展[9]．

随着无人机倾斜摄影测量的出现,实景模型的构建进入了新的发展阶段．然而,无人机所搭载的非量测相机像幅小、航向和旁向重叠度大,依据传统航摄要求布设的像控点数量需成倍增加[10],像控点的布设和测量成为制约生产效率的重要因素之一．目前已有学者研究指出像控点的数量、分布对航测精度产生影响:苏世伟等[11]指出像控点数量对航摄精度的影响并非呈线性关系;周旺辉等[12]指出四周均匀加少量内部控制的方法为最优布点方式,朱进等[13]认为四角点组的方式布设像控点可提高空三精度,但都基于规则测区的像控点布设方法,在非规则测区应用效果有限．在测图生产中:买小争等[14]提出隔航带、隔6条基线的方式布设像控点,可满足1∶1000 正射影像制图精度;彭凯笛等[15]建议在大比例尺测图时使用四角中心点方式布设像控点;李万能等[16]指出根据地形调整网状点位布设间距,在有效减少冗余像控点的基础上,航测结果满足1∶2000 地形图精度要求．

以上研究均表明,像控点的布设数量和位置,对实景模型精度、外业测绘工作量、模型构建成本等会产生很大影响．非规则测区由于其边缘形态各异,如何选取最少像控点数量、最佳像控点布设位置,从而实现最高精度实景模型的构建,还有待进一步研究．鉴于此,本文采取边缘布设、边缘加少量中心布设、中心布设三种不同的像控点布设方式进行实景模型构建,对比分析像控点数量和布设位置对非规则区域模型精度的影响特征．

1 实景模型构建技术流程

倾斜摄影建模的主要步骤有:数据预处理、区域网联合平差、多视角影像匹配、数字表面模型(DSM)生成和正射纠正等[17]．1)数据预处理阶段需要对影像进行筛选,剔除不合格的像片,确定相机参数,整理影像姿态位置数据,确保每张影像信息的完整；2)结合影像姿态位置数据和地面控制点点坐标进行区域网联合平差,解算出像片方位元素；3)利用多基元匹配算法获得加密特征点云并构建格网模型；4)纹理映射,为格网模型覆盖上最匹配的真实影像．5)对输出的实景模型进行精度验证．技术流程如图1所示．

图1 技术流程

2 工程实践

2.1 像控点的布设

本次实验区为临泉县某区域,面积0.25 km2,测区形态为非规则多边形,根据实际形态特征设计了三种像控点布设方案.

方案一:边缘布设,根据测区实际形态,在测区边缘布设像控点,像控点依次连线构成的面尽量包含整个测区,本次布设5个点,如图2(a)所示．

方案二:边缘加少量中心布设,在满足边缘布设的情况下,测区中部增设少量像控点,本次共布设8个像控点,如图2(b)所示．

方案三:中心布设,仅在测区中部布设像控点,本次布设5个像控点,如图2(c)所示．

依据外业控制点的布设规范,像控点布设在空旷、地表起伏较小的区域．另在测区内布设10个检核点,在连接地面参考站(CORS)的情况下使用实时动态(RTK)差分技术测量点位坐标,用于模型精度检查．

(a) 边缘布设

(b) 边缘加少量中心布设

(c) 中心布设图2 像控点布设分布图

2.2 数据采集与建模

大疆精灵4 RTK为多旋翼小型无人机，如图3所示,飞行方式灵活,可自由调整镜头倾角,集成的RTK模块可有效提高影像的定位定姿(POS)精度,满足高精度航摄的要求．设置航向重叠、旁向重叠均为80%,飞行高度100 m,镜头倾角60°,对测区进行数据采集,最终获得5 351张航空影像．外业航测信息如表1所示．

图3 大疆精灵4 RTK 无人机

表1 航测信息表

本次实验利用Context Capture软件构建实景模型,以边缘布设为例,构建模型如图4所示,纹理细节逼真．

(a) 全区模型 (b) 局部模型图4 模型效果展示

3 模型精度分析

3.1 像控点精度验证

由于像控点对模型精度有重要影响,在对三种方案所得实景模型进行精度评价前,先验证像控点的精度,以避免像控点测量粗差或像控点被破坏对模型精度的影响．综合三种像控点布设方案共得到10个不同位置的像控点,结合影像POS数据进行空中三角测量．像控点空三解算质量报告如表2所示．

由空三解算结果可知,重投影中误差均在1个像素点以内,准确度很高;像控点水平中误差为0.006 m,垂直中误差为0.007 m．像控点精度高,均可用于实景模型的构建．

表2 像控点质量表

3.2 点位精度分析

对使用不同方案构建得到的模型做点位精度分析,以检核点的RTK测量坐标为真值,对应的模型点坐标为测量值,检核各方案构建模型的点位精度．中误差计算公式为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:n为检核点数量;Δxi,Δyi,Δzi为各点位真误差; ∂x,∂y,∂z为各轴向中误差;∂xy为平面中误差．

计算得到各模型的平面中误差和高程中误差,结果如表3所示;各检核点平面误差和高程误差如图5～6所示．分析可知:

1) 方案一:模型平面误差在0.0103～0.0496 m,RMSE平面为0.033 4 m;高程误差在0.0014～0.0778 m,RMSE高程为0.039 8 m．方案二模型平面误差在0.0106～0.0463 m,RMSE平面为0.029 8 m;高程误差在0.0019～0.0638 m,RMSE高程为0.0408 m．方案三模型平面误差在0.0123～0.0725 m,RMSE平面为0.045 8 m,平面误差超过5 cm的检核点有5个;高程误差在0.00550～0.0934 m,RMSE高程为0.053 3 m．

2) 由方案一和方案二可知:根据非规则测区边缘形态,两种方案所得模型精度均满足1∶500 比例尺测图精度要求;在测区中部增加3个中心像控点时,模型平面精度仅提升0.003 6 m．在像控点布设位置合适的情况下,增加像控点布设数量对模型精度影响较低．

3) 中心布设像控点的方式所得模型精度无法满足1∶500 比例尺测图精度要求,外业布设像控点时应注意避免该点位布设方案,像控点不应仅布设在测区中部．

表3 检核点精度 m

图5 检核点平面精度

图6 检核点高程精度

3.3 几何精度分析

由于实景模型中有大量建筑、道路等几何结构,仅考虑点位误差忽略了模型的几何精度,对模型的精度评价也显得单一．在模型内选择若干点连线,L1、L4、L5为东西方向、L2、L3为南北方向,通过线段误差对模型的几何精度做进一步分析．以实测值作为真值,模型上测量三次线段长度取平均值作为测量值,三种方案线段相对精度如表4所示，线段长度误差如图7所示．分析可知:

1) 三种方案构建的模型线段相对精度均在0.015%以内,模型几何精度较高,具有良好的应用价值．

2) 三种方案构建的模型中线段L2、L3、L5的长度误差相同,像控点的布设方式以及数量对模型的几何精度影响较小．

表4 线段相对误差

图7 线段长度误差

3.4 普适性验证

另选两块形状不同的非规则验证区,面积分别为0.27 km2和0.28 km2．在检核像控点精度满足建模要求的情况下做相同实验,验证所得结果的普适性,像控点布设方案如表5所示．验证区一、二的点位精度分别如图8～11所示,线段相对精度如表6～7所示．对比分析可得如下结论:

1) 方案一和方案二的点位精度均满足1∶500比例尺测图要求．两个验证区的方案三中,分别有2个和1个检核点平面误差大于1∶500 比例尺测图规范要求．

2) 两个验证区模型的几何精度都很高,线段相对精度分别小于0.016%和0.015%．

总体上来看,两个验证区的精度结果和实验区相符,实验区的结果具有普适性．

表5 验证区像控点分布

表6 验证区一线段相对精度

表7 验证区二线段相对精度

图8 验证区一平面精度 图9 验证区一高程精度

图10 验证区二平面精度 图11 验证区二高程精度

4 结 论

本文实验区和验证区均为面积为0.3 km2左右的小范围非规则区域,地物要素丰富,实验数据为航拍分辨率2 cm的影像,按照三种像控点布设方式构建实景模型,并进行精度分析,得到以下结论:

1) 根据非规则测区实际形态特征,按照边缘布设五个像控点和边缘加少量中心布设八个像控点建立的实景模型,模型精度均满足1∶500 大比例尺测图精度要求．当考虑成本更加经济、效率更高时选择边缘布设像控点方式;当考虑到模型精度的检核需要时,可选择边缘加少量中心布设的方式．

2) 像控点位置对模型精度有较大影响．应优先考虑对非规则测区的边缘控制,像控点连线形成的凸多边形应尽量多地包含整个非规则测区．仅在测区中部布设像控点时,模型边缘精度无法满足1∶500 比例尺精度要求．

3) 像控点数量对实景模型精度影响与布设位置有关:当像控点布设位置较差时,如中心像控,像控点数量对模型精度影响较大;当像控点位置比较理想,如达到边缘控制的要求,增加像控点布设数量并不能显著提升实景模型精度．

4) 通过调整像控点布设位置可在保证精度的情况下有效减少像控点的布设数量,但无法在构建高精度模型时免除像控点,未来免像控高精度建模仍是需要努力的方向．