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1∶500 無人機(jī)航測成圖誤差分析及高精度成圖的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)布日期:2019-06-30??來源:勘測聯(lián)合網(wǎng)??作者:馮茂平,趙元沛,楊正銀,張秦罡我要投稿我要評(píng)論

  [摘要] 本文通過對(duì)1∶500 無人機(jī)航測法成圖過程中誤差產(chǎn)生的來源進(jìn)行分析,研究提高成圖精度的關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)過試驗(yàn)建立1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖技術(shù)路線和工藝流程,并給出實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中的具體工程應(yīng)用案例。

  [關(guān)鍵詞] 事后差分GPS;引閃器;構(gòu)架航線;像點(diǎn)位移;曝光延遲

引言

  1∶500 地形圖測繪全野外成圖工作量大,工期較長,成本較高。長期以來,為了減少工作量、縮短工期、降低成本,業(yè)內(nèi)一直嘗試采用航測法成圖,并做了大量研究和嘗試,但精度一直不理想。近些年無人機(jī)航攝因?yàn)槭褂梅奖?,?shù)據(jù)獲取成本低、速度快,在1∶1000、1∶2000 等比例尺的地形圖測繪、正射影像圖生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但在1∶500 航測法地形圖測繪中,精度仍然不能完全達(dá)到規(guī)范要求。

  本文通過對(duì)1∶500 無人機(jī)航測法成圖過程中誤差產(chǎn)生的來源進(jìn)行分析,研究提高航測法成圖精度的關(guān)鍵技術(shù),選用速度慢、振動(dòng)小、姿態(tài)好的電動(dòng)差分無人機(jī)作為航攝平臺(tái),通過航線優(yōu)化設(shè)計(jì),建立1∶500無人機(jī)航測法高精度成圖技術(shù)路線和工藝流程。

1∶500 航測法成圖誤差來源

  (1) 像片的地面分辨率和影像質(zhì)量

  在傳統(tǒng)無人機(jī)航測法成圖過程中,像片控制測量誤差、空中三角測量誤差、立體像對(duì)定向誤差、立體采集過程中的位置判定誤差等,會(huì)在作業(yè)過程中不斷傳遞并積累,影響成圖的最終精度。

  不難發(fā)現(xiàn),所有環(huán)節(jié)誤差的產(chǎn)生都與像片的分辨率和影像質(zhì)量有關(guān)。分辨率越高、影像質(zhì)量越好,判讀就越準(zhǔn)確,誤差也就越小,所以要提高成圖精度必須首先提高像片的地面分辨率和影像質(zhì)量。

  (2) 鏡頭畸變

  無人機(jī)航攝采用的相機(jī)一般為非量測型全畫幅相機(jī),鏡頭畸變大,尤其是邊緣部分。盡管可以根據(jù)相機(jī)畸變參數(shù)對(duì)像片進(jìn)行畸變糾正,但糾正過程中會(huì)產(chǎn)生糾正誤差,且越往邊緣,糾正誤差越大。所以為了提高精度,應(yīng)加大像片重疊度,盡可能使用像片中心部分的影像。

  (3) 像片外方位元素

  一般的無人機(jī)沒有配置高精度慣導(dǎo)裝置,僅采用普通GPS 進(jìn)行定位導(dǎo)航,所以在相機(jī)曝光同時(shí)記錄的位置數(shù)據(jù)誤差很大,需要后期完成大量的像片控制測量后,才能進(jìn)行空中三角測量。為了減少像片控制測量工作量及后繼工序的誤差累積,應(yīng)盡可能提高曝光瞬間像片的外方位元素精度。

  根據(jù)誤差來源分析,要提高成圖精度,有必要采用一些關(guān)鍵技術(shù)手段和方法,以增強(qiáng)影像質(zhì)量、提高影像地面分辨率、減小鏡頭畸變影響、提高像片外方位元素精度。

  (1) 事后差分GPS

  事后差分GPS 系統(tǒng)包括基站GPS、移動(dòng)站GPS 和事后差分解算軟件?;綠PS 架設(shè)在已經(jīng)測定精確位置的點(diǎn)位上進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)觀測。移動(dòng)站GPS 搭載在無人機(jī)上,其天線中心位置與相機(jī)中心位置經(jīng)過量測標(biāo)定。移動(dòng)站在飛行過程中連續(xù)觀測,并完整記錄相機(jī)曝光瞬間給出的曝光時(shí)間戳信號(hào)。航攝完成后,事后差分解算軟件根據(jù)基站精確位置數(shù)據(jù)、基站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)、移動(dòng)站連續(xù)觀測及曝光時(shí)間戳數(shù)據(jù)進(jìn)行事后差分解算,獲得每張像片的高精度位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

  (2) 相機(jī)曝光與移動(dòng)站GPS

  記錄時(shí)間戳高度同步相機(jī)曝光的真實(shí)時(shí)間與移動(dòng)站GPS 記錄的時(shí)間戳總會(huì)有些誤差,需要采用一定的技術(shù)手段最大限度減小這個(gè)差值,盡可能實(shí)現(xiàn)相機(jī)曝光時(shí)間與移動(dòng)站GPS 記錄的曝光時(shí)間戳同步。

  (3) 增強(qiáng)像片影像質(zhì)量

  像片影像質(zhì)量直接影響影像判讀準(zhǔn)確度,對(duì)1∶500 測圖尤為重要。所以需要選用成像質(zhì)量較好的相機(jī),選擇空氣潔凈、光照充足的時(shí)間段,優(yōu)化相機(jī)參數(shù)后進(jìn)行航攝,以獲得影像質(zhì)量較好的像片。

  (4) 適度提高影像地面分辨率

  影像分辨率越高,在航測法成圖的各個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)影像的判讀精度就會(huì)越高,但是航攝效率會(huì)下降。根據(jù)《數(shù)字航空攝影規(guī)范 第一部分:框幅式數(shù)字航空攝影》,1∶500 航測法成圖要求航攝地面分辨率小于0.08m,在兼顧航攝效率的同時(shí)為了提高成圖精度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定地面分辨率為0.04~0.05m。

  (5) 減小像點(diǎn)位移

  像點(diǎn)位移會(huì)降低影像解析能力,影響判讀精度。規(guī)范規(guī)定像點(diǎn)位移一般不應(yīng)大于1 個(gè)像素,最大不應(yīng)大于1.5 個(gè)像素。由像點(diǎn)位移公式δ=v×t/GSD 可知,要減小像點(diǎn)位移就要降低飛行速度,縮短曝光時(shí)間。所以需要在確保影像質(zhì)量的情況下將曝光時(shí)間縮到最短。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),像點(diǎn)位移小于1/3 個(gè)像素時(shí)可保證影像解析能力。

  (6) 提高像片重疊度

  提高像片航向重疊度和旁向重疊度,有利于減少對(duì)像片邊緣影像的利用,最大限度降低像片畸變糾正過程中的影像糾正誤差。規(guī)范規(guī)定航攝重疊度一般應(yīng)為航向60%~65%,旁向20%~30%。為了提高成圖精度,可加大重疊度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),航向重疊度取70%~75%,旁向重疊取60%~65%可顯著提高空中三角測量平差精度。

  (7) 增加構(gòu)架航線

  構(gòu)架航線與正常航線垂直布設(shè),起高程控制點(diǎn)作用,有利于減少像片控制點(diǎn)量測數(shù)量,增強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)模型之間連續(xù)性,提高空中三角測量平差精度。構(gòu)架航線結(jié)合事后差分解算提供的像片高精度POS 數(shù)據(jù),能夠?qū)崿F(xiàn)稀少像片控制點(diǎn)甚至無像片控制點(diǎn)完成空中三角測量。

1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖試驗(yàn)

  4.1 試驗(yàn)流程及飛行區(qū)域選擇

  本試驗(yàn)過程包括飛行區(qū)域選擇、航攝設(shè)計(jì)及相機(jī)檢校、航攝作業(yè)、事后差分解算、空中三角測量、檢查點(diǎn)立體量測、檢查點(diǎn)野外量測、精度評(píng)定等步驟,具體試驗(yàn)流程如圖1。

  選擇的試驗(yàn)區(qū)域位于四川省簡陽市,面積約3km2,整體地形為丘陵,高差約80m。區(qū)域內(nèi)有居民地、廠房、道路、平整地塊、水系、植被等地物,對(duì)于本次試驗(yàn)具有典型的代表意義。

圖1 試驗(yàn)流程

  4.2 航攝設(shè)計(jì)及相機(jī)檢校

  (1) 航攝飛行平臺(tái)的選擇

  航攝飛行平臺(tái)應(yīng)裝備高精度差分GPS 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)相機(jī)曝光時(shí)間戳的精確記錄;采用電力驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)慢速、穩(wěn)定飛行。CW-10 電動(dòng)復(fù)合翼垂直起降無人機(jī)自帶高精度差分GPS、引閃器,采用大容量鋰電驅(qū)動(dòng),飛行振動(dòng)小,巡航速度20m/s,在曝光時(shí)間不長于1/1600s 時(shí),可以保證像點(diǎn)位移在1/3 像素以內(nèi),是本試驗(yàn)較為理想的飛行平臺(tái)。

  (2) 相機(jī)選擇及參數(shù)標(biāo)定

  相機(jī)選用3600 萬像素全畫幅Sony ILCE-7R 機(jī)身,像元尺寸4.88u,搭配成像質(zhì)量較好的蔡司35mm 定焦鏡頭。相機(jī)的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)經(jīng)精確標(biāo)定。

  (3) 航線規(guī)劃

  設(shè)計(jì)地面分辨率為0.04m,航向重疊度70%,旁向重疊度60%,構(gòu)架航線垂直于主航線,位于測區(qū)內(nèi)離主航線兩端頭4 條基線長度的位置,航高比主航線高50m。規(guī)劃航線如圖2,東西方向?yàn)橹骱骄€,南北方向?yàn)闃?gòu)架航線。

圖2 規(guī)劃航線

  4.3 無人機(jī)航攝作業(yè)

  選擇合適天氣,測定基站GPS 坐標(biāo),完成無人機(jī)航攝作業(yè),完整下載航攝像片數(shù)據(jù)、基站GPS 數(shù)據(jù)、移動(dòng)站GPS 數(shù)據(jù),并檢查數(shù)據(jù)完整性及可用性。

  4.4 事后差分解算及空中三角測量

  (1) 事后差分解算

  利用事后差分解算軟件對(duì)基站坐標(biāo)數(shù)據(jù)、基站GPS 數(shù)據(jù)、移動(dòng)站GPS 數(shù)據(jù)、機(jī)載POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算,得出精確的影像POS 數(shù)據(jù),平面坐標(biāo)系為CGCS2000,高程系為橢球高,也可以加上高程異常,使用正常高。

  (2) 空中三角測量

  選擇GodWork 軟件作為空中三角測量工具。整個(gè)空三過程包括:原始數(shù)據(jù)載入、自動(dòng)相對(duì)定向、自動(dòng)絕對(duì)定向、平差和輸出結(jié)果。這個(gè)過程只需要少量的人工干預(yù)。

  4.5 精度檢測

  (1) 檢查點(diǎn)立體量測

  將空三結(jié)果導(dǎo)入到全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng),在立體上量測檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)。

  (2) 檢查點(diǎn)野外量測

  采用天寶RTK 到野外實(shí)地測量檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)。

  (3) 精度對(duì)比

  以檢查點(diǎn)野外量測為基準(zhǔn),立體量測相對(duì)野外量測的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計(jì)算。

  式中:

  m1——檢查點(diǎn)中誤差,單位為米(m);

  Δ——檢查點(diǎn)野外實(shí)測值與立體觀測值的誤差,單位為米(m);

  n ——參與評(píng)定精度的檢查點(diǎn)數(shù)(每幅圖20~50個(gè))。

  隨機(jī)抽出兩幅圖進(jìn)行精度檢測。每幅圖檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)為33 個(gè),總計(jì)66 個(gè),并均勻分布。檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表1。平面位置中誤差為0.071m,最大誤差為0.158m;高程中誤差為0.069m,最大誤差為0.129m。小于2 倍中誤差的檢查點(diǎn)有10 個(gè),小于1 倍中誤差的檢查點(diǎn)有56 個(gè)。

  表2、表3 分別為GB/T 23236-2009 《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》、GB/T 14912-2005《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》關(guān)于1:500 比例尺的精度要求。對(duì)比表1 和表2、表3,試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

  表1 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖的工程應(yīng)用

  經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后,利用本技術(shù)方案實(shí)際應(yīng)用于廣安市溪口鎮(zhèn)1∶500 地形圖測繪。測區(qū)位于山谷地帶,面積2km2,中央地形較平,為丘陵地形,四周屬于山地地形,利用本技術(shù)方案完成了航飛、POS 解算、空中三角測量、內(nèi)業(yè)立體測圖。精度檢測時(shí)隨機(jī)抽取4幅圖進(jìn)行精度檢測,檢查點(diǎn)共84 個(gè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),平面中誤差±0.09m,高程中誤差±0.08m,平面及高程精度均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

  結(jié)束語

  在當(dāng)前差分GPS 技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、相機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步的過程中,通過科學(xué)的優(yōu)化技術(shù)路線,1∶500無人機(jī)航測法高精度成圖試驗(yàn)成功并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,完成了業(yè)內(nèi)追求多年的夙愿,順利實(shí)現(xiàn)1∶500 地形圖測繪工期縮短、成本降低的目標(biāo)。雖然因植被覆蓋無法看見的地物測量、房檐改正等工作,仍需要野外實(shí)地測量,航測法成圖不能完全代替野外作業(yè),但這并不能影響1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖在實(shí)際工程應(yīng)用中的重要現(xiàn)實(shí)意義。

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