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幹貨|1∶500 無人機航測成圖誤差分析及高精度成圖的關鍵技術

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,業内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。近些年無人機航攝因為使用方便,數據獲取成本低、速度快,在1∶1000、1∶2000 等比例尺的地形圖測繪、正射影像圖生産等領域得到廣泛應用,但在1∶500 航測法地形圖測繪中,精度仍然不能完全達到規範要求。

本文通過對1∶500 無人機航測法成圖過程中誤差産生的來源進行分析,研究提高航測法成圖精度的關鍵技術,選用速度慢、振動小、姿态好的電動差分無人機作為航攝平台,通過航線優化設計,建立1∶500無人機航測法高精度成圖技術路線和工藝流程。

1∶500 航測法成圖誤差來源

(1)像片的地面分辨率和影像質量

在傳統無人機航測法成圖過程中,像片控制測量誤差、空中三角測量誤差、立體像對定向誤差、立體采集過程中的位置判定誤差等,會在作業過程中不斷傳遞并積累,影響成圖的較 終精度。

不難發現,所有環節誤差的産生都與像片的分辨率和影像質量有關。分辨率越高、影像質量越好,判讀就越準确,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量。

(2)鏡頭畸變

無人機航攝采用的相機一般為非量測型全畫幅相機,鏡頭畸變大,尤其是邊緣部分。盡管可以根據相機畸變參數對像片進行畸變糾正,但糾正過程中會産生糾正誤差,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

一般的無人機沒有配置高精度慣導裝置,僅采用普通GPS 進行定位導航,所以在相機曝光同時記錄的位置數據誤差很大,需要後期完成大量的像片控制測量後,才能進行空中三角測量。為了減少像片控制測量工作量及後繼工序的誤差累積,應盡可能提高曝光瞬間像片的外方位元素精度。

高精度成圖關鍵技術

根據誤差來源分析,要提高成圖精度,有必要采用一些關鍵技術手段和方法,以增強影像質量、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)事後差分GPS

事後差分GPS 系統包括基站GPS、移動站GPS 和事後差分解算軟件。基站GPS 架設在已經測定*位置的點位上進行長時間連續觀測。移動站GPS 搭載在無人機上,其天線中心位置與相機中心位置經過量測标定。移動站在飛行過程中連續觀測,并完整記錄相機曝光瞬間給出的曝光時間戳信号。航攝完成後,事後差分解算軟件根據基站*位置數據、基站連續觀測數據、移動站連續觀測及曝光時間戳數據進行事後差分解算,獲得每張像片的高精度位置坐标數據。

(2)相機曝光與移動站GPS 

記錄時間戳高度同步相機曝光的真實時間與移動站GPS 記錄的時間戳總會有些誤差,需要采用一定的技術手段較 大限度減小這個差值,盡可能實現相機曝光時間與移動站GPS 記錄的曝光時間戳同步。

(3)增強像片影像質量

像片影像質量直接影響影像判讀準确度,對1∶500 測圖尤為重要。所以需要選用成像質量較好的相機,選擇空氣潔淨、光照充足的時間段,優化相機參數後進行航攝,以獲得影像質量較好的像片。

(4)适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環節中對影像的判讀精度就會越高,但是航攝效率會下降。根據《數字航空攝影規範 *部分:框幅式數字航空攝影》,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為了提高成圖精度,根據經驗确定地面分辨率為0.04~0.05m。

(5)減小像點位移

像點位移會降低影像解析能力,影響判讀精度。規範規定像點位移一般不應大于1 個像素,較 大不應大于1.5 個像素。由像點位移公式δ=v×t/GSD 可知,要減小像點位移就要降低飛行速度,縮短曝光時間。所以需要在确保影像質量的情況下将曝光時間縮到較 短。根據經驗,像點位移小于1/3 個像素時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,有利于減少對像片邊緣影像的利用,較 大限度降低像片畸變糾正過程中的影像糾正誤差。規範規定航攝重疊度一般應為航向60%~65%,旁向20%~30%。為了提高成圖精度,可加大重疊度。根據經驗,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)增加構架航線

構架航線與正常航線垂直布設,起高程控制點作用,有利于減少像片控制點量測數量,增強區域網模型之間連續性,提高空中三角測量平差精度。構架航線結合事後差分解算提供的像片高精度POS 數據,能夠實現少 像片控制點甚至無像片控制點完成空中三角測量。

本試驗過程包括飛行區域選擇、航攝設計及相機檢校、航攝作業、事後差分解算、空中三角測量、檢查點立體量測、檢查點野外量測、精度評定等步驟,具體試驗流程如圖1。

選擇的試驗區域位于四川省簡陽市,面積約3km2,整體地形為丘陵,高差約80m。區域内有居民地、廠房、道路、平整地塊、水系、植被等地物,對于本次試驗具有典型的代表意義。

4.2 航攝設計及相機檢校

(1)航攝飛行平台的選擇

航攝飛行平台應裝備高精度差分GPS 系統,實現相機曝光時間戳的*記錄;采用電力驅動,實現慢速、穩定飛行。CW-10 電動複合翼垂直起降無人機自帶高精度差分GPS、引閃器,采用大容量锂電驅動,飛行振動小,巡航速度20m/s,在曝光時間不長于1/1600s 時,可以保證像點位移在1/3 像素以内,是本試驗較為理想的飛行平台。

(2)相機選擇及參數标定

相機選用3600 萬像素全畫幅Sony ILCE-7R 機身,像元尺寸4.88u,搭配成像質量較好的蔡司35mm 定焦鏡頭。相機的内方位元素和畸變參數經*标定。

(3)航線規劃

設計地面分辨率為0.04m,航向重疊度70%,旁向重疊度60%,構架航線垂直于主航線,位于測區内離主航線兩端頭4 條基線長度的位置,航高比主航線高50m。規劃航線如圖2,東西方向為主航線,南北方向為構架航線。

4.3 無人機航攝作業

選擇合适天氣,測定基站GPS 坐标,完成無人機航攝作業,完整下載航攝像片數據、基站GPS 數據、移動站GPS 數據,并檢查數據完整性及可用性。

4.4 事後差分解算及空中三角測量

(1)事後差分解算

利用事後差分解算軟件對基站坐标數據、基站GPS 數據、移動站GPS 數據、機載POS 數據進行聯合解算,得出*的影像POS 數據,平面坐标系為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。整個空三過程包括:原始數據載入、自動相對定向、自動肯定定向、平差和輸出結果。這個過程隻需要少量的人工幹預。

4.5 精度檢測

(1)檢查點立體量測

将空三結果導入到全數字攝影測量系統,在立體上量測檢查點三維坐标。

(2)檢查點野外量測

采用天寶RTK 到野外實地測量檢查點三維坐标。

(3)精度對比

以檢查點野外量測為基準,立體量測相對野外量測的平面位置中誤差、高程中誤差分别按下面公式計算。

随機抽出兩幅圖進行精度檢測。每幅圖檢查點個數為33 個,總計66 個,并均勻分布。檢查點統計計算結果見表1。平面位置中誤差為0.071m,較 大誤差為0.158m;高程中誤差為0.069m,較 大誤差為0.129m。小于2 倍中誤差的檢查點有10 個,小于1 倍中誤差的檢查點有56 個。

1∶500 無人機航測法高精度成圖的工程應用

經試驗驗證後,利用本技術方案實際應用于廣安市溪口鎮1∶500 地形圖測繪。測區位于山谷地帶,面積2km2,*地形較平,為丘陵地形,四周屬于山地地形,利用本技術方案完成了航飛、POS 解算、空中三角測量、内業立體測圖。精度檢測時随機抽取4幅圖進行精度檢測,檢查點共84 個。經統計,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規範要求。

結束語

在當前差分GPS 技術、無人機技術、相機技術不斷進步的過程中,通過科學的優化技術路線,1∶500無人機航測法高精度成圖試驗成功并在實際工程中得到應用,完成了業内追求多年的夙願,順利實現1∶500 地形圖測繪工期縮短、成本降低的目标。雖然因植被覆蓋無法看見的地物測量、房檐改正等工作,仍需要野外實地測量,航測法成圖不能完全代替野外作業,但這并不能影響1∶500 無人機航測法高精度成圖在實際工程應用中的重要現實意義。

轉載于勘測聯合網

原标題:淺析無人機航測精度的影響因素都有哪些?

來源:《測繪》

作者:馮茂平,趙元沛,楊正銀,張秦罡

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