近年來，隨著航空攝影測量的發(fā)展，特別是無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，以無人機為平臺的低空攝影測量得到廣泛應(yīng)用。無人機攝影測量具有操控簡單、效率高、能及時地獲取有效的數(shù)據(jù)信息、成本低、受地理環(huán)境影響小等優(yōu)點，配合航拍軟件可快速獲取對地影像，已經(jīng)是現(xiàn)有的3DGIS、航天、航空遙感和地面遙感系統(tǒng)不可缺少的彌補手段。無人機攝影測量在近幾年發(fā)展勢頭日漸迅猛，與此同時，如何提高無人機攝影測量的成圖精度，同時如何在保證成果精度的同時減少布設(shè)像控點工作量等問題也備受人們關(guān)注。
像控點布設(shè)是航空攝影測量中的重要環(huán)節(jié)，但是由于無人機質(zhì)量輕以及外界因素的影響，無人機在作業(yè)過程中姿態(tài)不穩(wěn)定，獲取的影像存在重疊率不規(guī)則和影像傾角過大等特點，因此無人機地面像控點的數(shù)量和分布和以往的傳統(tǒng)航空測量的要求有所不同。近年來，有很多學(xué)者展開了提高無人機測圖精度的研究。
本文使用FD-130B六旋翼無人機采集了沿海某村莊影像，通過分析不同的像控點數(shù)量及分布與無人機航測成果質(zhì)量之間的關(guān)系，分析驗證了像控點數(shù)量及分布與空中三角測量、數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)之間的關(guān)系，研究了無人機航測大比例尺地圖所需控制點數(shù)量及分布，為無人機在航空攝影測量中滿足成圖需求提供有效參考。
1、研究數(shù)據(jù)
1.1 研究區(qū)域
研究區(qū)域位于沿海地區(qū)浙江省寧波市象山縣石浦鎮(zhèn)樹橋頭村，總面積約0. 4 km2，居民樓大多都是二三層樓房，交通便利，地勢平坦，建筑物較密集，沿街道建設(shè)。
1. 2影像數(shù)據(jù)及像控點信息
影像數(shù)據(jù)獲取使用富地FD-130B六旋翼無人機(如圖1所示)飛行平臺，最大載荷為5 kg,云臺可以搭載各種快拆式傳感器，本次實驗無人機搭載FD-5120傾斜相機進行影像采集，機身裝置4塊容量為22 000 mA蓄電池，有效作業(yè)時間30分鐘，POS數(shù)據(jù)定位精度水平精度小于±0. 10 m，垂直精度小于±0. 10 m。采用常規(guī)RTK測量模式進行像片控制點采集，平面和高程精度均優(yōu)于±0.01 m，像片控制點共33個，坐標(biāo)系統(tǒng)為地方獨立平面坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)。
1. 3航攝參數(shù)
該飛行區(qū)域面積約為0 . 4 km2，根據(jù)任務(wù)需要以及《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》的相關(guān)要求，航向重疊率設(shè)置80%，旁向重疊率設(shè)置為80%，相對航高為75 m，航線為南北方向，共飛行3架次，下視鏡頭獲得1496張影像。
2、像控點布設(shè)方案
像控點是無人機攝影測量解析空三加密和測圖的基礎(chǔ)，用于空中三角測量(空三加密)或直接用于測圖定向的像片控制點，其位置的選擇、平面位置和高程的測定直接影響到內(nèi)業(yè)成圖的精度。像片控制測量的布點方案分為:全野外布點方案、非全野外布點方案和特殊情況的布點方案，本次實驗采用非全野外布點方案和無人機航測像控布設(shè)在飛行前布設(shè)的方法。
2. 1像控點的選點
為保障數(shù)據(jù)成果精度，像控點應(yīng)該選擇在航攝像片上影像清晰、目標(biāo)明顯的像點，保證后期刺點方便、準(zhǔn)確，實地布點時，對于地形不平坦、水系等以及航攝時像控點區(qū)域可能變化的地方，會影響空三內(nèi)業(yè)刺點誤差，均不能用作像控點。因為研究區(qū)域地勢平坦，地形起伏不大，但只有中間區(qū)域是村莊，大部分區(qū)域是農(nóng)田，所以航攝區(qū)域合適的像控點很少，為提高刺點精度，保證成圖精度，在航攝前在村莊和農(nóng)田中的道路上采用刷油漆的方式提前布置像控點標(biāo)志，標(biāo)志為“L”型，如圖2所示。
2. 2像控點布設(shè)方案
從像控點布設(shè)的一般原則上來講，像控點應(yīng)該立體、均勻的分布在攝區(qū)內(nèi)，并且要加強測區(qū)邊緣的控制，并且兼顧中部控制，點位不能分布在近似一條直線或者近似平面內(nèi)，在遵循像控點布設(shè)的一般原則的基礎(chǔ)上，由于該研究區(qū)域?qū)儆谄教箙^(qū)域，像控點的選擇僅根據(jù)均勻分布的原則，未過多考慮地形因素。設(shè)計了9種控制點布設(shè)方案，如圖3所示:
（1）五點法，在近似正方形的研究區(qū)域四個角分別選取一個點作為像控點且在研究區(qū)域中心選取一點，共5個點作為像控點，進行加密解算，如圖3（a）所示。
（2）七點法，在五點法的基礎(chǔ)上分別沿航線方向和垂直航線方向在兩像控點之間增加兩個點，如圖3（b）所示。
（3）九點法，在五點法的基礎(chǔ)上沿航線方向和垂直航線方向在兩像控點之間增加四個點，如圖3（c）所示。
（4）十三點法，在九點法的基礎(chǔ)上分別沿航線方向和垂直航線方向像控點之間增加四個點，如圖3（d）所示。
（5）十五點法，在九點法的基礎(chǔ)上分別沿航線方向和垂直航線方向像控點之間增加六個點，如圖3（e）所示。
（6）二十五點法，在九點法的基礎(chǔ)上沿航線方向和垂直航線方向像控點之間增加十六個點，如圖3 （f）所示。
3、數(shù)據(jù)處理
目前測繪領(lǐng)域里使用無人機處理航空影像的成圖軟件非常多，如Bentley ContextCap-ture、Pix4D、APS、Agisoft PhotoScan等智能的全自動航空影像后處理軟件，使用無人機航拍獲取的影像數(shù)據(jù)在這些軟件中可以快速生成數(shù)字高程模型、正射影像圖和三維模型等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。Bentley ContextCapture可以通過簡單的照片生成具有高分辨率的真實三維模型，Pix4D、 APS、 Agisoft PhotoScan等軟件自動化的工作流程操作非常簡單，可進行深度、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，生成高分辨率DEM和正射影像圖等數(shù)字成果。
本文數(shù)據(jù)使用AgisoftPhotoScan軟件處理生成DEM和正射影像，PhotoScan是俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，自動化程度高，操作簡便，GPU加速，處理過程更快捷，精度高，成果詳細。
將影像和對應(yīng)POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入PhotoScan工程中，對齊照片，使用多視圖三維重建技術(shù)從重疊影像中估算出每張影像曝光瞬間相機的位置和匹配點形成的稀疏點云的位置;優(yōu)化照片對齊方式之前需要刺點，這是唯一需要手動操作的，為了保證刺點精度，每個控制點必須在多個影像上刺出;進行密集匹配，建立密集點云，根據(jù)實驗?zāi)康暮碗娔X配置，本次數(shù)據(jù)處理生成中等密度點云;根據(jù)密集點云生成網(wǎng)格;賦予紋理;生成數(shù)字高程模型(DEM)和正射影像。每個像控點布設(shè)方案數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。
4、試驗結(jié)果分析
4.1 精度評定標(biāo)準(zhǔn)
無人機影像處理完成后，利用像控點和檢查點對成果進行精度評定，將生成的數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型導(dǎo)入ZTMAPGIS，在數(shù)字正射影像找到像空點位置并提取各點的平面坐標(biāo)，將各點的平面坐標(biāo)導(dǎo)入數(shù)字高程模型，提取對應(yīng)的高程信息。以RTK實測的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和空三加密后提取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算9個方案的平面和高程中誤差，對比分析9個方案的精度，中誤差計算公式為:
上式中xi，yi，hi為第i個像控點在正射影像中提取出的坐標(biāo)值，xi′，yi′，hi′第i個像控點實測坐標(biāo)，n表示像控點的個數(shù)。
無人機獲取的影像成果精度評定的標(biāo)準(zhǔn)分為三部分，空中三角測量精度、成果分辨率和成果測圖精度。
4. 2空中三角測量精度分析
根據(jù)中誤差計算公式，結(jié)合方案中的像控點，計算各個試驗的平面中誤差，高程中誤差，如表1所示。
從表1可以看出除方案一、二、三外，其他試驗的平面中誤差和高程中誤差的精度均滿足1：500、1：1000、1：2000比例尺數(shù)字航空測量空中三角測量規(guī)范中測圖精度的要求。方案二、三精度滿足1：1000、1：2000比例尺數(shù)字航空測量空中三角測量規(guī)范中測圖精度的要求，方案一只滿足1：2000精度要求。
隨著控制點的數(shù)量增加，當(dāng)平面中誤差和高程中誤差精度趨于穩(wěn)定時(圖5)，精度都在同一量級，說明空中三角測量精度和控制點數(shù)量和布設(shè)方案有關(guān)，但控制點增加到一定數(shù)量時，精度不再明顯提高。
4. 3 DOM和DEM成果精度分析
本次試驗得到的成果分辨率均接近1.50cm/pix,所以分辨率滿足基礎(chǔ)地理信息成果1：500、1：1000、1：2000數(shù)字高程模型精度要求和基礎(chǔ)地理信息成果1：500、1：1000、1：2000數(shù)字正射影像成圖分辨率。以檢查點坐標(biāo)平面中誤差和高程中誤差評價無人機影像生成的DOM和DEM數(shù)據(jù)精度，計算結(jié)果見表2。
由表2可以看出，方案一、二、三生成的正射影像精度誤差比較大，不能滿足規(guī)范要求，其他方案生成的正射影像精度均滿足基礎(chǔ)地理信息成果1：500、1：1000、1：2000數(shù)字正射精度要求。
方案一生成的DEM高程精度不能達到基礎(chǔ)地理信息成果1：500、1：1000數(shù)字高程模型精度要求，方案二、三不滿足1：500數(shù)字高程模型精度，方案四到九生成的DEM均符合基礎(chǔ)地理信息成果1：500、1：1000、 1：2000數(shù)字高程模型精度要求。
根據(jù)像控點布點多少和位置的不同對數(shù)據(jù)成果精度的影響，可以看出，當(dāng)控制點很少時，不能滿足1：500、1：1000、1：2000比例尺數(shù)字航空測量空中三角測量規(guī)范中測圖精度的要求和基礎(chǔ)地理信息成果1：500、1：1000、1：2000數(shù)字成果精度要求，但控制點個數(shù)到一定數(shù)量時，精度趨于一定值?？刂泣c相同時，沿航線方向均勻分布在測區(qū)，位置不一樣，精度差值在毫米級，相比較與精度標(biāo)準(zhǔn)，對精度影響不是很明顯。
5、結(jié)束語
通過此次試驗，設(shè)計不同的像控點方案，驗證了無人機在不同的像控點數(shù)量和分布時成圖的精度可以滿足1：500、1：1000、1：2000比例尺數(shù)字航空測量規(guī)范要求，分析空三測量精度、DEM和正射影像與像控點數(shù)量及分布之間的關(guān)系，為無人機攝影測量提供有效參考。結(jié)論如下:
（1）當(dāng)像控點數(shù)量足夠多且均勻沿航線分布時，無人機生成的數(shù)字成果滿足基礎(chǔ)地理信息1：500、1：1000、1：2000數(shù)字成果精度要求。
（2）無人機數(shù)字成果精度隨著像控點數(shù)量增加而增加，但到一定界限時，隨著像控點增加，精度趨于穩(wěn)定。