第5章 无人机摄影测量

无人机测绘技术自然资源与测绘学院徐军TelQ:932014715.1 无人机航空摄影5.2 像片控制测量5.3 无人机解析空中三角测量5.4 无人机影像DOM生产5.5 无人机影像DEM生产5.6 无人机影像DLG生产第5章无人机摄影测量第5章无人机摄影测量5.1无人机航空摄影5.1.1航空摄影概念5.1.2无人机航摄传感器5.1.3无人机航空摄影5.1.4航空摄影质量检查5.1.1航空摄影概念利用安装在航摄飞机上的航摄仪从空中以一定角度对地面进行摄影航空摄影：利用航空摄影机从飞机或其他航空器上获取指定范围内地面或空中目标的图像信息，利用影像生成对应区域的测绘产品，为国民经济建设、国防建设和科学研究提供基础数据支持的技术。5.1.2无人机航摄传感器1.光学传感器佳能5DMarkIV尼康D800索尼ILCE6000（1）非量测型相机——单反5.1.2无人机航摄传感器1.光学传感器DMC数字航摄仪ADS40数字航摄仪SWDC-4数字航摄仪（1）数字量测型相机——面阵5.1.2无人机航摄传感器2.倾斜摄影相机疆图科技倾斜相机天津天成华海倾斜相机华测导航睿铂DG3倾斜摄影相机5.1.2无人机航摄传感器3.机载激光雷达华测AS-300HL多平台激光雷达测量系统5.1.2无人机航摄传感器4.红外传感器热成像系统辐射计搜索和跟踪系统红外测距和通信系统5.1.2无人机航摄传感器5.视频摄像机CCD摄像机CMOS摄像机（SONYPXW-Z1504K）5.1.3无人机航空摄影航空摄影全过程流程5.1.3无人机航空摄影航测航行图1.提出航空摄影技术要求——范围、比例尺、航摄仪、重叠度、时间、资料名称和数量2.签订技术合同3.空域申请——申请报告、航摄区域略图4.航空摄影准备工作——耗材、仪器、图件、人员5.航空摄影实施——航测航行图6.送审——安全保密检查5.1.4航空摄影质量检查1.无人机航空摄影飞行质量检查（1）像片重叠度（2）像片倾斜角（3）像片旋偏角（4）航高《低空数字航空摄影规范》（CH/Z3005-2010）5.1.4航空摄影质量检查1.无人机航空摄影飞行质量检查（1）像片重叠度航线重叠：60%-80%，旁向重叠：15%-60%5.1.4航空摄影质量检查（2）像片倾斜角

主光轴与铅垂线的夹角。像片倾斜角一般不大于5°主光轴铅垂线5.1.4航空摄影质量检查（3）像片旋偏角

相邻两张像片的像主点连线与像幅沿航线方向的两框标连线间的夹角。像片旋偏角一般小于15°像主点连线框标连线5.1.4航空摄影质量检查（4）航高

摄影飞机在摄影瞬间相对某一水准面的高度，从该水准面起算向上为正号。相对航高：指摄影机物镜中心相对于某一基准面的高度，常称为摄影航高。绝对航高：摄影机物镜中心相对于大地水准面的高度。航高焦距H=f×GSD/a式中，H为相对航高，f为摄影镜头的焦距，GSD为影像的地面分辨率，a为像元尺寸的大小。那么假设一个相机像素为2000万，焦距为20mm，感光元件尺寸大小为6mm×4mm，分辨率为4000×3000，现在如果要求地面分辨率达到20cm，航高最高能到多少？计算步骤：1.首先计算象元尺寸a：可以通过6mm/4000或4mm/3000得到为1.5um。

2.然后带入公式反算航高:H=20mm×20cm/1.5μm=2666.7m。以大疆精灵Phantom4RTK为例，像元大小为2.41微米，相机焦距为8.8mm，代入公式得H≈36.5*GSD。那客户A需要的GSD为5cm/pixel的数据，通过计算得到的飞行高度约为182米。考虑到飞行时的环境影响，我们一般会低于计算得到的飞行高度去作业，我们可以选取150米的飞行高度来确保得到的数据满足客户要求。5.1.4航空摄影质量检查以精灵4RTK为例，相机型号FC6310R，焦距8.8mm，1英寸CMOS，传感器尺寸13.2mmx8.8mm（非标准），照片最大分辨率5472x3648（3:2）。则感光原件的像元大小为（13.2/5472）x（8.8/3648），2.4μmx2.4μm。5.1.4航空摄影质量检查2.无人机影像质量检查（1）影像应清晰，反差始终，色调柔和，应能认出与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。（2）影像上不应有云影、烟、大面积反光、污点等缺陷。（3）确保因飞机速度的影像，在曝光瞬间造成的像点位移一般不应大于1个像素，最大不应大于1.5个像素。（4）拼接影像应无明显模糊、重影和错位现象。5.1.4航空摄影质量检查3.摄区边界覆盖检查（1）航向覆盖超出摄区边界线应不少于两条基线。（2）旁向覆盖超出摄区边界线一般应不少于像幅的50%。（3）在便于施测像片控制点及不影响内业正常加密时，旁向覆盖超出摄区边界线应不少于像幅的30%。考虑到测区的高差等情况，可以按照下事计算航线外扩的宽度：L=H1+tanθ

+H2-H3+L1式中，L为外扩距离，H1为相对航高，θ为像片倾斜角，H2为摄影基准面高度，H3为测区边缘最低点高度，L1为半个像幅对应的水平距离。第5章无人机摄影测量5.2像片控制测量5.2.1像片控制点的概念与分类5.2.2像片控制点布设的一般原则5.2.3无人机航摄像片控制点的布设方案5.2.4像片控制测量的流程5.2.1像片控制点的概念与分类像片控制点：简称像控点，是指符合航测成图各项要求的测量控制点，是航空摄影空中三角测量和测图的基础，其点位的选择、点的密度和坐标、高程的测定精度直接影响摄影测量数据后处理的精度。像控点分类：

像片平面控制点（平面点）：野外只需联测平面坐标点

像片高程控制点（高程点）：野外只需联测高程点

像片平高控制点（平高点）：野外需同时联测平面坐标和高程5.2.2像片控制点布设的一般原则（1）像控点一般按航线全区统一布设，像控点在测区内构成一定的几何强度。像控点布设要在整个测区均匀分布，选点要尽量选择固定、平整、清晰易识别、无阴影、无遮挡区域。如斑马线角点、如房屋顶角点，方便内业数据处理人员查找（如无明显地标可人工喷油漆或撒白灰的方式设置地标）。

如果是大面积规整区域，像控可按照“品”字形布点。如果面积很大区域，且精度要求较低时，可适当抽稀测区内部像控。如果是带状测区，布点需要在带状的左右侧布点，可以按照“S”或“Z”字型路线布点。5.2.2像片控制点布设的一般原则（2）像控点需选择较为尖锐的标志物，尽量选择平坦地方，避免树下、房角等容易被遮挡的地方，如果没有的话可以人工打点，人工像控点应该选择能够持久存在的东西，如果喷漆宽度不得低于30CM，并且棱角分明。（3）像控点标志物尺寸应大于70CM，并且不易出现方向性错误，明显显示是标志物的哪一部分。5.2.2像片控制点布设的一般原则（4）像控点和周边的色彩需要形成鲜明对比，如果周边是深色，则标志以浅色为主，如果地面周边以白色为主，则可喷红色油漆为主。（5）如果选择地物作为特征点，应该选择比较大的地物，并且提供现场照片2-4张说明像控点的位置，至少包含一张点的近景位置和一张周边景物位置。5.2.2像片控制点布设的一般原则（6）像控点布设的密度，像控点布设首先要考虑测区地形和精度要求。如地形起伏较大，地貌复杂，需增加像控点的布设数量（10%~20%）。很多飞机有RTK或者PPK后差分系统，理论上可以减少地面控制点的数量，可以根据项目测试经验自行调整。5.2.2像片控制点布设的一般原则适合用作像控点的有：影像清晰、目标明显的点A.路上的车实线以及斑马线的角B.目标清晰的道路交角5.2.2像片控制点布设的一般原则适合用作像控点的有：影像清晰、目标明显的点C.篮球场上的实线D.草地角5.2.2像片控制点布设的一般原则不适合用作像控点的有：目标程序不清晰、与周围环境色差小、与地面有明显高差的目标，会引起空三内业的刺点误差的点都不能用作像控点。与水面有高差，不能作为像控点颜色相近，航片上不易辨认，不能作为像控点5.2.2像片控制点布设的一般原则不适合用作像控点的有：目标程序不清晰、与周围环境色差小、与地面有明显高差的目标，会引起空三内业的刺点误差的点都不能用作像控点。与地面有高差，不能作为像控点5.2.2像片控制点布设的一般原则像控点标志：在航摄区域没有合适的像控点时，为提高刺点精度，保证成图精度，应在航摄前采用用油漆刷成“十”字型或“L”型的方式提前布置像控点标志。布置成“十”型时，应在十字中心加喷直径为5cm的圆点，以提高刺点精度。“十”字型布点“L”型布点5.2.2像片控制点布设的一般原则其他形式的像控点标志：5.2.3无人机航摄像片控制点的布设方案1.低空无人机与传统航摄的区别（1）无人机影像像幅小，基高比小，航线间距小，影像分辨率高，数据量大，加大了内业、外业工作量及数据处理难度。（2）航迹不规则，无人机容易受到气流剧烈变化影响，易导致影像倾角过大，影像倾斜方向不规律；偏离预设航线飞行，造成航向重叠度和旁向重叠度不规则，对连接点的提取和布设增加了难度，使得影像匹配难度大，精度低。5.2.3无人机航摄像片控制点的布设方案2.全野外布点方案是指正射投影作业、内业测图定向和纠正作业所需要的全部控制点均由外业测定的布点方案。按成图方法不同，分综合法全野外布点和立测法全野外布点方案。（1）全野外布点方案使用情况常用于特殊要求或特殊地形，或小面积测图时；航摄像片比例尺较小，而成图比例尺较大，内业加密无法保证成图精度；用图部门对成图精度要求高，采用内业加密不能满足用图部门需要时；由于时间紧迫，而航测外业在人物力、时间等方面又具有较快提供用图条件时；由于设备限制，航测内业暂时无法进行加密工作时。5.2.3无人机航摄像片控制点的布设方案（2）用于像片纠正的布点方案B.邻片纠正布点：在测绘面积的四角各布设一个高程点。（3）用于立体测图仪的布点方案D.双模型测图：在两个立体像对测绘面积的四角各布设一个平高点。C.单模型测图：隔号像片测绘面积的四角各布设一个平高点。A.隔片纠正布点：隔号像片测绘面积的四角各布设一个平面点。5.2.3无人机航摄像片控制点的布设方案3.非全野外布点方案是指正射投影作业、内业测图定向和纠正作业所需要的所需控制点主要由内业采用空三加密所得，野外只测少量的控制点作为内业加密的基础。加密：指在控制点稀少，不能满足测图定向和纠正的情况下，内业采用某些仪器和计算手段，通过对立体模型的测量，精确地测定另一部分控制点，以满足测图定向和纠正的需要。按成图方法不同，分航线网布点和区域网布点方案。目前加密的方法主要是解析空中三角测量，又称电算加密。5.2.3无人机航摄像片控制点的布设方案（1）航线网布点B.五点法：航向首末各布设一对平高点，航线中央只布设一个平高点。（2）区域网布点D.

适用于加密平高点。C.

适用于加密平面点。A.六点法：适用于山地及高山地的测图。5.2.4像片控制测量的流程1.根据航测区域确定像片控制点对于不带RTK或PPK功能的无人机，需要在航带附近布设较密的像片控制点带RTK、PPK功能的无人机，对像片控制点的数量要求少。RTK技术，即实时动态差分技术，是利用载波相位实时处理测站点之间观测量的差分方法。（拍照与GNSS采集存在时延，会造成系统误差）PPK技术，即动态后处理差分技术，是利用载波相位进行事后差分的GNSS定位技术。（不需实时通讯链路，没有时延问题）5.2.4像片控制测量的流程2.野外布设像片控制点（1）首先查看航测区域的地质地貌条件，肉眼较好辨别的区域是农田、乡村小道居多，还是公路、水泥路居多，准备油性喷漆、标靶板（木板或硬纸板）。（2）像片控制点应在相邻像片上均清晰可见。（3）确定航拍区域后，利用已有影像图、电子地图确定像片控制点的大概位置和数量；（4）实地布点时，一般水泥路、沥青路等乡村公路上，可利用油性喷漆画“十”字形标记，每次做完像控点拍2-4张不同角度的照片，最好有参照物，以便内业处理找点方便。5.2.4像片控制测量的流程3.像片控制点测量概念：根据像片上内业的布点方案，在实地根据影像的灰度和形状找到并确定像片控制点的位置，测量并记录该点的平面坐标及其高程。像片控制点测量方法：（1）用国家控制网作为像片控制点（2）采用仪器测量像片控制点（如RTK）（3）使用传统测量方法或通过其他资源获得像片控制点(如1：10000地形图)（4）以独立坐标系定义采集像片控制点（需联测国家控制网已知点）第5章无人机摄影测量5.3无人机解析空中三角测量5.3.1解析空中三角测量概述5.3.2无人机解析空中三角测量的方法与流程5.3.3解析空中三角测量的精度5.3.4解析空中三角测量的实施5.3.1解析空中三角测量概述1.概念概念：利用空中连续摄取的具有一定重叠度的航摄像片，依据少量野外控制点的地面坐标和相应的像点坐标，根据像点坐标与地面点坐标的三点共线的解析关系或每两条同名光线共面的解析关系，建立与实地相似的数字模型，按最小二乘法原理，用电子计算机解算，求出每张影像的外方位元素及任一像点所对应地面点的坐标。也叫空三加密。2.作用（1）为模型建立提供定向控制点和像片定向参数（2）测定大范围内界址点的统一坐标（3）单元模型中大量地面点坐标的计算（4）解析近景摄影测量和非地形摄影测量3.特点（1）不受通视条件限制，把大部分野外测量控制工作转室内完成；（2）不触及被量测目标，即可测定其位置（3）可快速地在大范围内同时进行点位测定，以节省野外测量工作量；（4）可引入系统误差改正和粗差检测，可同非摄影测量观测值进行联合平差；（5）摄影测量平差时，区域内部精度均匀，且不受区域大小限制。5.3.2无人机解析空中三角测量的方法与流程1.光束法区域网空中三角测量（1）基本思想：以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共点的光线实现最佳交会，将整体区域最佳地纳入控制点坐标系中，从而确定加密点的地面坐标及像片的外方位元素。（2）原理以投影中心点、像点和相应地面点三点共线为条件，以单张像片为解算单元，借助像片之间的公共点和野外控制点，把每张像片的光束连成一个区域进行整体平差，解算出加密点坐标的方法。其基本理论公式为中心投影的共线条件方程式：5.3.2无人机解析空中三角测量的方法与流程2.无人机POS辅助空中三角测量无人机航摄数据通常带有定位、定姿POS数据，即航摄影像的外方位元素，可根据《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》（GB/T27919-2011）利用POS数据采用直接定向法和辅助定向法：（1）利用POS数据直接定向利用飞机获取的外方位元素中的线元素进行同名像点匹配，并进行平差，得到新的外方位元素，剔除部分粗差，实现对原始POS信息优化；在影像外方位元素已知的情况下，测量一对同名像点后，即可利用前方交会计算出对应地面点的地面摄影测量坐标。（2）辅助定向法利用少量外业控制点或已有资料结合POS数据进行辅助空中三角测量。5.3.2无人机解析空中三角测量的方法与流程3.无人机光束法区域网平差方法（1）自由网平差——所有匹配点的像点坐标一起进行平差①根据影像匹配构网生成的像片外方位元素和地面点坐标的近似值；②建立误差方程和改化方程；③依据最小二乘准则，解算出每张像片外方位元素和待定点地面坐标；④根据平差后解算出的外方位元素和待定点的地面坐标，可以反算出每个物点对应像点坐标，求得像点残差；⑤给定像点残差阈值，将大于该阈值的像点全部删除后，继续建立误差方程和改化方程进行平差解算，以此循环迭代直到像点残差阈值满足一定的要求。（2）控制网平差——控制点和匹配点的像点一起进行平差过程类似于自由网平差。（3）联合平差——对两种不同观测手段的数据在一起进行平差国内研究较少。5.3.2无人机解析空中三角测量的方法与流程4.无人机空中三角测量流程（1）相对定向恢复立体像对的两张影像的相对位置，建立被摄物体的几何模型，解求每个模型的相对定向参数。（2）绝对定向实现相对定向后立体模型坐标到大地坐标转换。①进行平差参数设置，调整外方位元素的权和欲剔除粗差点的点位限差，通过区域网光束法平差计算，分别生成控制点残差文件、内外方位元素结果文件、像点残差文件等平差结果文件；②查看平差结果是否合格，如果不合格，继续调整外方位元素的权和剔除粗差点的点位限差，直至平差结果合格为止；③生成输出平差后的定向点三维坐标、外方位元素及残差成果等文件。5.3.3解析空中三角测量的精度1.空中三角测量的理论精度反映区域网中偶然误差的分布规律，与其余点位的分布有关。其理论精度以平差获得的未知数协方差矩阵作为测度进行评定。2.空中三角测量的实际精度空三加密结果的精度由野外测量的检查点来评定，通过计算摄影测量加密点坐标与外业实际测量坐标的差值来完成。3.区域网平差的精度分布规律（1）精度最弱点位于区域的四周；（2）密周边布点时，光束法的测点精度接近常数；（3）稀疏布点时，精度随区域的增大而降低，增大旁向重叠可提高平面坐标的精度；（4）高程精度取决于控制点间的跨度，与区域大小无关。4.精度评价要求（1）对于连接点数量：（2）对于空三结果精度报告的评价：（3）对于应急响应的项目，空三优化可以放宽精度要求。5.影响解析空中三角测量精度的主要因素（1）像控点精度和影像分辨率（2）测量精度（3）平差计算精度5