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空中三角测量对无人机航测成图精度影响分析

行业资讯 2018-04-18 15:38

  以沙苑实验区1∶1000无人机大比例尺数字化成图生产为例,阐述了无人机数据空三加密流程,采用三种方案进行试验,并对试验结果进行对比分析,探讨了提高无人机大比例尺数字化成图精度的方法。


  关键词:无人机;空中三角测量;POS


  0引言


  目前,小型无人机对地观测系统已经成为世界各国争相研究的热点课题,并在实际应用过程中不断提升无人机对地观测系统的性能。与传统测量方法、卫星遥感和航空遥感相比,无人机遥感具有高时效、高分辨率、低成本、低损耗、低风险及可重复等诸多优势,能够在大面积区域、常规航摄困难地区和突发自然灾害地区快速获取高分辨率影像,可以更快、更高效地制作大比例尺地形图、DEM、DOM和DSM等数字产品及数字三维城市[1,2]。并且快速获取的国土、资源、环境等地理信息的空间要素,已广泛应用到大比例尺地形图绘制与更新、自然灾害与地质环境勘查、土地利用动态监测、电力工程、海洋资源与环境监测、风能开发勘测、交通、军事等领域[3]。同时,无人机在应急测绘、中小区域测绘、农村建设测绘和困难地区测绘中都发挥着重要的作用[4]。因此,如何提高无人机大比例尺成图精度具有一定的研究价值。


  1无人机数据空三加密流程


  本研究采用航天远景空三处理软件DATMatrix,DATMatrix数码新空三是由航天远景公司自主开发的空中三角测量系统。利用少量的地面控制点来重新计算实验区中所有影像新的外方位元素和所有加密点的地面坐标。该系统主要针对小数码影像,也支持大数码影像和胶片影像。除半自动量测控制点外,其他所有作业,如内定向、连接点提取等都可以自动完成。连接点自动提取模块算法先进、效率高、运行可靠、结果精确。该系统集成PATB光束法区域网平差软件,所以粗差检测功能和平差计算功能都很强大。DATMatrix空三处理流程如图1所示。


  图1DATMatrix空三处理流程


  2研究区及数据介绍


  沙苑实验区进行无人机航拍时,天气晴朗,风速2级,符合飞行气象条件。本次实验采用NIKOND800数码相机,镜头焦距为23.8889mm,像幅为7360×4912,像素大小为0.0048mm×0.0048mm。采用相对航高510m,测区共4条航线,48张无人机影像。沙苑实验区航带分布如图2所示。


  图2沙苑研究区航带分布图


  3数据实验


  1)实验方案设计


  沙苑试验区1∶1000航摄精度提高方法研究方案如下:


  方案一:对比有无POS数据参与时自动转点结果的精度。


  方案二:先在实验区外围布设4个控制点,然后逐渐向实验区均匀加点,对比实验区平面和高程精度变化情况。


  方案三:在实验区平面高程均达到精度要求时,增加路面高程控制点,对比实验区高程精度变化情况。


  2)方案一


  POS系统获取航空摄影曝光时刻影像的空间位置和姿态,在自动转点过程中,POS数据辅助空三转点能够快速进行影像匹配,缩小同名点的搜索范围。方案一对沙苑实验区1.7km2的范围,采用航天远景DATMatrix2.0软件进行转点实验,对有无POS数据辅助自动转点的结果,从效率、个数、精度3个方面进行对比。对比结果见表1。


  表1POS辅助自动转点精度对比


  3)方案二


  POS辅助空三自动转点完成后,在影像上缺少连接点的地方添加连接点,删除和编辑粗差点。平差解算后编辑、删除争议点列表里的粗差点,直到满足平差精度。量测控制点时,先在工程区域的四角周边刺入4个控制点,然后均匀加入其他控制点,边加点边平差,直至平差达标。加点方案如图3所示。


  图3沙苑加点方案图


  ①首先在采用11条基线跨两条航线的布点方案,在测区的四周布设4个点,在图3中用序号1表示。


  ②采用10条基线不跨航带的布点方案,在第一步的基础上在第二、第三条航线的首尾分别布设一个点,在图3中用序号2表示。此时,测区总共布设了8个点。


  ③在第二步的基础上分别在4条航带的中间分别布设一个点,在图3中用序号3表示。此时采用5条基线或6条基线的布点方案进行布点,测区总共布设了12个点。


  ④在上面的布点基础上,对左半边的控制点进行加密,布设4个点,在图3中用序号4表示,此时对于左半边为2条或3条基线进行布点,对于右半边仍按照6条基线布点。此时,测区总共布设16个点。


  ⑤同④对右半边的控制点进行加密,布设4个点,在图3中用序号5表示,此时整个测区按照2条或3条基线的布点方案进行布点,测区总共布设20个点。


  通过对沙苑实验区进行实验,得到控制点的平面和高程精度随着逐步加点的变化如图4所示。

无人机航测成图

  图4沙苑平面、高程精度对比图


  从图4分析可得,沙苑实验区在加密时,按照方案逐步加点,其平面和高程精度不断提高。测区完成第三步加点后,基本定向点平面精度达到规范要求(0.3m),高程精度达到规范要求(0.2m),随着控制点的增加,平面和高程精度不断提高,当控制点到达16个(即就是按照4条基线或者5条基线布点)以后,随着控制点的增加,其精度变化趋于平稳。


  4)方案三


  对于无人机航空摄影测量来说,无论是飞机飞行因素还是实验区高差因素的影响,高程精度总是没有平面精度容易达到规范要求。因此,我们提出在实验区的硬化地表上均匀加一些高程点用来参与高程平差,通过与没有硬化地表点的加密结果进行对比,结果见表2。


  表2有无硬化地表点参与加密的精度对比(单位:m)


  通过上表计算可得,未加硬化地表高程点时高程中误差为0.221,加上硬化地表点之后高程中误差为0.183(规范0.28m)。因此,可采用测区硬化地表高程点参与高程平差,来提高测区空三加密成果精度。


  4结束语


  本文以沙苑测区为研究对象,根据不同方案进行加密试验,通过对试验结果的对比分析,得出提高无人机大比例尺航摄成图精度的方法,为无人机航摄成图奠定了理论和实践基础。


  1)POS数据参与空三转点时,其转点质量明显优于没有POS数据参与的情况,POS参与空三加密可提高成图精度。


  2)引入硬化地表高程点参与平差,能提高空三加密的高程精度,从而提高整个地形图的成图精度。


  3)对于1∶1000的类似于沙苑实验区的平原来说,选取5条基线的布点方案就可以满足《GBT23236-2009数字航空摄影测量———空中三角测量规范》,若按照此方案来进行外业像控布点,不但不会造成外业盲目的工作量,而且可以使加密精度有所保证,从而提高大比例尺成图精度。


  参考文献:


  [1]高福山,胡吉伦,王黎.无人机低空摄影测量在电力工程中的应用[J].电力勘测设计,2010,17(2):19-22.


  [2]肖高铭,詹卫华,张艳红.浅谈空中三角测量在实际工作中的应用[J].测绘与空间地理信息,2007,30(6):161-164.


  [3]满燕,罗瞳.IMU/DGPS辅助的大跨度航线区域网平差精度分析[J].地理空间信息,2010,8(3):86-89.


  [4]李金火,张其康,陈碧兴.大比例尺航测成图的航摄比例尺探讨[J].地矿测绘,2002,18(2):28-29.


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