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尝鲜大面积无地面控制点成图,解锁无人机GPS辅助空三新实践

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  • 作者:应用开发中心-李娜娜
  • 发布时间:2019-07-23 11:14
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【概要描述】航天远景提出的无人机无地面控制点航测生产工艺流程满足大比例尺地形图精度要求,为不易布设像控点(植被覆盖茂密的地区)以及不能布设像控点(应急救援)时的大面积高精度成图提供了技术支撑,是能够在实际工程项目中应用和推广的作业方案。

尝鲜大面积无地面控制点成图,解锁无人机GPS辅助空三新实践

【概要描述】航天远景提出的无人机无地面控制点航测生产工艺流程满足大比例尺地形图精度要求,为不易布设像控点(植被覆盖茂密的地区)以及不能布设像控点(应急救援)时的大面积高精度成图提供了技术支撑,是能够在实际工程项目中应用和推广的作业方案。

  • 分类:远景分享
  • 作者:应用开发中心-李娜娜
  • 来源:航天远景
  • 发布时间:2019-07-23 11:14
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像控测量是摄影测量作业过程中的必备环节,减少控制点的数量,提高控制点布设的灵活性一直是人们努力的方向。

 

在传统航空摄影系统中集成双频GPS接收机,获取摄影机曝光时刻天线相位中心的三维坐标,并作为一种带权观测值参与到光束法区域网平差中,从而减少控制点使用量,这便是GPS辅助空中三角测量的基本原理。然而在实际作业过程中,由于对地面控制点点位的要求十分苛刻(必须布设在测区四角,且位于构架航线与测图航线的交叉处),限制了航空摄影时航线设计的自由度。

 

无人机作为传统航空摄影的有益补充,大幅提高了高分辨率影像获取的便利性,但是影像幅面小、数量多,控制点消耗量大,成为后续处理,特别是空中三角测量处理时的难点。随着无人机技术的发展,人们又将双频GPS接收机与无人机集成在一起,发展出了无人机稀少控制的GPS辅助空中三角测量方法,虽然降低了控制点的使用量,但仍未解决控制点布设灵活性的问题。直到2017年,免像控技术进入人们的视野,通过将摄影机曝光时刻天线相位中心的三维坐标视作空中控制点,达到免除地面控制点的目的。拓普康天狼星航摄无人机、大疆精灵4 RTK无人机便是这类系统的典型代表。两年以来,免像控成图屡见报端,但是报道中的实验区一般较小(数平方公里甚至不足1平方公里),多以DOM成图为目的,回避高程精度问题,以至于形成了“免像控技术只能用于小面积DOM生产”的普遍认识。航天远景在总结数万平方公里项目实施经验的基础上,结合PPK(Post Processed kinematic)航空摄影技术,提出了大面积无地面控制点的高精度成图工艺方法。

 

下面以河南省光山县土地后备资源调查项目为例,介绍该工艺方法的实施过程;通过对比控制点像方观测多片交会三维坐标、立体测量坐标、正射影像上检查点量测坐标以及倾斜模型检查点量测坐标与控制点野外实测坐标之差,验证该工艺方法的成图精度。

 

项目概述

项目区总面积为1835km²,植被密布。以项目区05分区为例,东西长约13.6km,南北宽约10.5km,面积约为129km²。沿南北方向敷设38条航线,航向重叠约80%,旁向重叠约55%。航空摄影时,无人机相对地面航高约800m,影像空间分辨率约10cm,共获取有效影像3639幅。

 

航天远景

图1 测区及航线敷设示意图

 

无人机上除搭载Nikon D810(35mm镜头)数码相机外,还搭载了一台双频GNSS接收机。GNSS接收机通过与相机相连的热靴信号线接收相机曝光时刻的脉冲信号,并以External Event方式记录下来。无人机地面系统中配置一台RTK(real-time kinematic)设备,工作在基准站模式。航空摄影作业时,先架设基准站,通电15分钟后再启动无人机,以确保基准站处于较好的工作状态。航空摄影结束后,先关闭无人机并整理设备,最后再断开基准站电源,以确保基准站对GNSS卫星星座的观测完全覆盖流动站(无人机)。

 

地面控制点布设与测量

如图2所示,在测区内布设70个地面控制点,均位于明显地物的拐角处,在野外和影像上均能准确判读其点位。为了降低控制点野外测量的粗差率,每个点位均采用双点,相互检核。

 

图2 控制点布设示意图

 

地面控制点的三维坐标通过GNSS-RTK设备测量,测量时通过数码相机记录控制点的点位(如图3所示)。测量结果保存为CGCS-2000坐标系坐标,高程基准为大地高。像控测量结束后,经CORES(Continuous Operation Reference Stations)站解算,获取控制点在1985高程基准下的高程值。

 

航天远景

图3 控制点测量示意图

 

GNSS解算及三维坐标转换

利用PPK解算方法,求取相机曝光时刻GNSS天线相位中心的三维坐标,利用两套控制点(大地高、正常高)拟合七参数,进而将GNSS天线相位中心三维坐标转换至1985高程基准,使之与控制点处于相同的坐标系中。

 

航天远景

图4 GNSS数据转换前后示意图

 

无地面控制的GNSS辅助空中三角测量

空中三角测量处理时,将GNSS天线相位中心三维坐标、影像匹配获取的连接点坐标以及人工观测的控制点像点坐标视作观测值(所有控制点均用作检查点,三维坐标未参与平差解算),经光束法平差解算求解影像外方位元素、加密点三维坐标和控制点加密坐标。

 

精度评定

为了评定空中三角测量成果的几何定位精度,项目将所有地面控制点视作检查点,以控制点像方观测多片交会三维坐标、立体测量坐标、正射影像上控制点量测坐标、倾斜模型控制点量测坐标与控制点野外实测坐标之差作为精度评定的指标。

 

对控制点像方观测值做多片交会,可得到控制点多片交会出的三维坐标,通过与控制点实测坐标对比,可评定加密成果的测量精度。表1列出了部分控制点多片交会三维坐标的误差。

 

表1 控制点多片交会三维坐标误差分布表(m)

航天远景

 

从表1可以看出,控制点平面最大误差0.31m,高程最大误差0.27m;平面中误差为0.15m,高程中误差为0.14m,满足GB/T 23236-2009 《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》关于1:1000比例尺检查点误差最大限值平面0.5m,高程0.28m的规定。

 

除控制点多片交会外,对控制点像方观测值对应的立体像对做前方交会,可得到控制点在该立体像对上的三维坐标,通过与控制点实测坐标对比,可评定加密成果的立体测量精度。表2列出了部分控制点单模型前方交会坐标与外业实测坐标之差。

 

表2 控制点单模型前方交会三维坐标误差分布表(m)

航天远景

 

从表2中可以看出,单个立体像对前方交会的平面中误差为0.22m,高程中误差为0.28m。满足GB/T 7930-2008 《1:500 1:1000 1:2000地形图航空摄影测量内业规范》关于1:1000 DLG地物点平面位置中误差不应大于0.6m、高程位置中误差不应大于0.4m的规定。

 

此外,项目还制作了测区正射影像图,并将正射影像与外业实测控制点套合检查,读取控制点在正射影像上的坐标值。部分控制点在正射影像上的读数与野外实测坐标之差如表3所示。

 

表3 正射影像上的控制点坐标误差分布(m)

航天远景

 

从表3可以看出,正射影像控制点的平面中误差为0.28m。满足CH/T 9008.3-2010《基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000数字正射影像图》中关于1:500 正射影像明显地物点平面中误差不应大于0.3m的规定。进一步对比表3和表1可以发现,控制点平面坐标在正射影像上的测量精度低于多片交会结果,这是由于部分控制点高出地面,在正射影像上存在投影差引起的。

 

对比表1和表2可以发现,单个立体像对前方交会的精度低于多片交会结果。为了充分发挥多基线前方交会的优势,项目将空中三角测量结果导出至倾斜三维建模软件,完成三维建模,并通过航天远景MapMatrix3D读取了控制点在三维模型中的三维坐标。表4列出三维模型上读取的部分控制点三维坐标与外业实测坐标之差。

 

表4 三维模型上的控制点坐标误差分布(m)

航天远景

 

从表4可以看出,倾斜模型控制点的平面中误差为0.15m,高程中误差为0.17m,与表1结果基本一致(平面中误差为0.15m,高程中误差为0.14m),满足GB/T 7930-2008 《1:500 1:1000 1:2000地形图航空摄影测量内业规范》关于1:500 DLG地物点平面位置中误差不应大于0.3m、高程位置中误差不应大于0.2m的规定。

 

对比表2和表4可以发现,三维模型的DLG采集精度优于立体像对,特别是在高程精度方面,优势更加突出。图5为航天远景图阵三维智能测图系统MapMatrix3D在三维模型基础上测得的地形图。

 

航天远景

图5 数字线划图示意图

 

结论

航天远景提出的无人机无地面控制点航测生产工艺流程满足大比例尺地形图精度要求,为不易布设像控点(植被覆盖茂密的地区)以及不能布设像控点(应急救援)时的大面积高精度成图提供了技术支撑,是能够在实际工程项目中应用和推广的作业方案。

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