低空无人机航测像控点布设方法探讨

摘要: 以新疆巴音郭楞蒙古自治州和硕县塔哈其乡古努恩布呼村作为实验区，利用固定翼轻型电动无人飞机航摄系统，获取影像数据使用Pix4dMapper 全自动快速无人机数据处理软件，对像控点布设方式及数量进行探讨，制作出1∶ 1 000的数字真正射影像，满足农村地籍调查及集体建设用地使用权确权登记工作( 以下简称“农村地籍调查工作”) 调查底图的精度要求，最终总结出像控点布设方式及数量较为合理的方案，可为后期影像数据生产提供技术参考。

关键词: 无人机; 像控点; 地籍调查; 精度分析

引言

全面开展农村地籍调查工作，进一步查清宗地的空间位置以及利用现状，构建完善的地籍管理制度和完整的地籍管理信息系统是保障农民合法权益、节约和保护耕地、加快推进新农村建设的现实需要。农村地籍调查的开展，获取大比例尺地籍调查的工作底图，是按时完成农村地籍调查的首要任务。巴音郭楞蒙古自治州占新疆总面积的四分之一，是中国面积最大的地级行政区，但是目前需要调查的农村大多没有1∶ 1 000的调查底图，为确保在3 年时间内顺利完成农村地籍调查工作，必须采取快速高效的方法获取地籍调查的工作底图。低空无人机航空摄影测量技术作为一种新的测绘手段，可针对每个农村居民区域的分布状况制定飞行任务，可快速获取高分辨率影像数据，通过外业像控测量、内业空三加密，制作出满足村庄地籍调查精度要求的工作底图，可为农村地籍调查提供基础性资料。

无人机获取的影像具有像幅小、基线短、重叠大、飞行姿态不稳定等特点，目前相关规范对低空无人机摄影测量控制点的布设方式及数量并没有明确规定，而像控点的数量及其分布是影响区域网加密精度的一个非常重要的因素，因此在满足内业成图精度的前提下，为了减少野外像控点布设数量，得出适合低空无人机航摄的最佳像控点布设方式及数量是一个迫切需要解决的问题。

1. 实验区概况

1. 1 实验区范围

测区位于新疆巴州和硕县塔哈其乡古努恩布呼村，地理坐标在东经86°55'30″—84°59'00″、北纬42°15'20″—42°17'21″之间，总面积约20 km²，航飞区域为平原地区，地势平坦，大部分为农村居民点。

1. 2 实验区航空影像

此次航拍采用固定翼电动无人机作为飞行设备，本次试验共3 个架次，敷设28 条航线，每条航线约60 条基线，获取的真彩色像片1 595 张，影像纹理清晰、色调均匀; 旁向重叠为60%、航向重叠为80%，进行高重叠航拍，在影像镶嵌时可选取像片中心畸变较小的正射部分制作真正射影像，同时还可以增强模型内部的连接性和稳定性，提高成图精度。实验区域主要航摄参数见表1。

表1 实验区域航摄参数

2. 像控点布设实验

由上述实验区域航摄的参数可知，此次无人机航拍获取的影像具有像幅小、基线短、重叠大等特点，传统的摄影测量规范由航线跨度和基线跨度的形式布设像控点，制作1∶ 1 000 数字正射影像，可满足《1∶ 500   1∶1 000   1∶ 2 000地形图航空摄影测量内业规范》的精度要求，按照隔航带、隔6 条基线的方式布设像控点^[7]，需要布设140个点左右。本次无人机航飞数据制作出1∶ 1 000真正射影像，是用于地籍调查工作底图，只需要满足平面精度要求即可，高程精度不做要求，综合考虑外业像控点布设数量以及内业空三加密精度，按照合适的距离布设像控点是本次试验探讨的重点。

2. 1 实验方案

本次试验布设像控点采用的方法是按照一定的距离选取像控点的位置，先拟定需要布设像控点的距离，分别是2 000 m、1 800 m、1 600 m、1 400 m、1 200 m、1 000 m、800 m、600 m、400 m，实际布设的像控点个数分别是4 个、7 个、10 个、12 个、14 个、18 个、29 个、47 个、111 个，具体布点情况如图1 所示。对同一区域网进行空中三角测量平差解算，利用相同的170 个野外检查点分别对不同布点方案的区域网平差解算结果进行检测。

在实际布设像控点时，点位要选取在影像上清晰可见、易于分辨的特征地物点上，就不能完全按照预先设定好的距离进行布点，所以只能根据实际情况选取的点位，构建三角网，然后计算三角网基线的平均距离，作为最终距离的参考依据，计算结果见表2。

图1 像控点布设的九种方案

表2 不同方案像控点布设计算距离结果

2. 2 空三加密

本次实验的空三加密采用瑞士Pix4D 公司的无人机数据处理软件Pix4dMapper，根据pos 文件建立好的航带，并设定像点残差的限值以及控制点的权值，通过光束法进行空中三角测量，完成区域网平差后由软件生成空三报告。

2. 3 制作真正射影像

利用满足精度要求的空三成果，设置提取格网间距，密集匹配点云后生成三维点云文件，依据匹配的点云生成实验区1∶ 1 000数字表面模型( DSM) 。在空三加密成果和生成数字表面模型( DSM) 数据的基础上，进行数字微分纠正得到单片正射纠正影像( DOM) ，采取自动和人工相结合的方法，编辑单片正射纠正影像的镶嵌线，获取实验区1∶ 1 000数字真正射影像图。

2. 4 矢量化成图

本次无人机航拍的结果用于农村地籍调查的工作底图，依据1∶ 1 000数字正射影像图，采用ArcGIS 软件、Kq-Tools 软件对其矢量化，矢量数据的精度必须要满足农村地籍调查的要求。由《地籍调查规程》可知，地籍图平面位置精度见表3。

表3 地籍图平面位置精度

1∶ 1 000正射影像分辨率为10 cm，即正射影像上一个像元的精度为10 cm，这是影像误差，也是系统误差，理论上内业矢量化时人为误差可以控制在± 10 cm，即一个像元，但在实际生产过程中，内业矢量化1∶ 1 000影像精度误差可以控制在± 10— ± 20 cm 之间。如果要满足地籍调查工作底图中误差为0. 4 m 的精度要求，那么1∶ 1 000影像图的平面精度必须控制在10—20 cm 之间，经内业矢量化后得到的地籍图才能满足《地籍调查规程》的精度要求。

3. 实验结果统计与分析

3. 1 实验结果统计

本次试验采用相同的170 个野外检查点，以1∶ 1 000正射影像图的一般地物点平面位置精度0. 2 m 为中误差，对像控点不同布设方案的区域网平差解算结果进行统计分析，见表4。

表4 像控点不同布设方案平差解算结果( m)

3. 2 实验结果比较与分析

通过对像控点不同布设方案平差解算结果( 见表4)进行比较分析，可以看出:

观察检查点的平面误差，方案一至方案六均不能满足1∶ 1 000正射影像图的一般地物点平面中误差0. 2 m，方案七至方案九均可满足规范精度要求，其中方案九的平面精度最好。

通过对检查点精度统计表的数据，加以分析绘制中误差曲线图( 如图2 所示) ，可以直观地看出9 种方案计算出检查点的平面中误差数值逐次递减。随着控制点的密度增加，空三加密的精度有所提升，检查点的平面精度也越来越好。

图2 像控点不同布设方案平面中误差曲线图

观察检查点的平面中误差的变化趋势( 见图2) ，方案一到方案七平面中误差减小幅度较大，方案七到方案九中误差的变化幅度趋于平稳，由此可知，虽然检查点平面精度随控制点的密度增加而提升，但当控制点的数量达到一定程度后，增加平面控制对平面精度的影响不大。

传统的摄影测量规范由航线跨度和基线跨度的形式布设像控点，需要布设140 个点左右，而方案九按照预设400 m 间距布设111 个像控点，其平面中误差为0. 11 m，由此可知，当像控点布设到140 个点时，平面精度也不会有较大提高，因此，不必严格按照传统空三的区域布点要求，可以根据具体情况，按照合适的间距布设像控点。

综上所述，像控点布设的间距控制在1 000 m以内，可以满足地籍调查工作底图的精度要求，控制在800 m 以内，区域网空三解算的稳定性和精度均较优。虽然布设间距在400 m 以内，平面精度最好，但外业测量控制点成本较高，不予考虑; 因此布设像控点较为理想的间距是600—800 m，但随着测区的面积增大和有不规则的区域存在，同时顾及到无人机飞行姿态不稳定等因素，从内外业综合考虑，方案八是既经济又有效的像控点布点方式，即像控点布设的间距在600 m 左右最为合适。

4. 结束语

本文以新疆和硕县塔哈其乡古努恩布呼村作为实验区，利用固定翼轻型电动无人飞机航摄系统，基于布设方式及数量进行探讨，根据精度验证的分析结果，在满足农村地籍调查工作底图的平面精度要求的基础上，总结出像控点合理布设较合理的方案，由此得到以下结论:

1) 增加平面控制能提高区域网平差的整体精度，采取密集布设像控点的方式，地物点的平面精度得到明显提升，但当控制点的数量达到一定程度后，增加平面控制对平面精度的影响不大。

2) 本次无人机航飞数据制作出1∶ 1 000正射影像，是用于地籍调查工作底图，高程精度不做要求，通过内业矢量化后的数字线化图，可以满足地籍图平面中误差为0. 4 m的精度要求。

3) 按照传统的摄影测量规范由航线跨度和基线跨度的形式布设像控点，需要布设140 个点左右，为了减少野外像控点布设数量，并且能满足1∶ 1 000农村地籍调查调绘底图平面精度，像控点布设的间距在600 m 左右，布设47 个像控点是既经济又有效的布点方式。

来源：《测绘与空间地理信息》

作者：喻帆

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