CN112556725B - 一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，可对未装备差分GPS的便携式无人机的相对测量精度进行检测；可筛选出相对距离测量误差具有一致性和单调性的便携式无人机系统；可对便携式无人机系统的相对距离测量误差进行定量评估，给出不同测量距离下的测量误差参考范围；可根据相对距离测量误差范围评估便携式无人机系统在无控制点情况下测量的有效性。

Description

一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法
技术领域
本发明涉及遥感科学技术中无人机航测测图精度评估方法领域，尤其涉及一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法。
背景技术
无人机遥感是近年来新兴发展起来的低空摄影测量技术，被广泛应用于环境、农业、工程、灾害、地质、军事等领域。无人机影像的测量精度可分为绝对精度和相对精度。绝对精度是指影像对象的三维空间坐标精度。相对精度是指影像对象间的相对位置精度。一般情况下，影像的绝对精度高，则相对精度也高。当前提高无人机测量精度的方法主要有镜头校正法、差分法和控制点纠正法。镜头校正是在特定的检校场内对无人机相机镜头的内外方位元素进行测定，根据测量值对成像影像进行几何纠正，消除因镜头畸变导致的影像测量误差。差分法是在无人机硬件设备上增加差分GPS，通过RTK或PPK技术获取高精度的无人机姿态信息，提高解算影像的测量精度。控制点纠正法是通过布设足够的地面控制点，并实地测量控制点坐标后对无人机生成的影像进行纠正，提高影像的测量精度。
然而当前便携式无人机航测应用中还存在以下问题：1)绝大多数便携式无人机采用的相机均为非量测相机，相机成像参数不稳定，镜头校正对提高航测精度的作用不明显。2)增加的差分GPS会导致便携式无人机的体积增大，成本增加，便捷性降低。当前仍然有大量不具备差分能力的便携式无人机被广泛应用于不同领域的测量中。3)每次任务均布设地面控制点会增加测量工作量，降低测量效率。在复杂地形环境难以布设足够或无法布设控制点的情况下，便携式无人机的测图精度难以确定。各行业对无人机测图的需求正与日俱增，无人机测图的便捷性越来越受到重视。一方面要确保无人机测图精度能满足行业应用需求，另一方面希望无人机测图方法和实际操作尽可能简单(比如免地面控制点)。因此，如何检测无控制点情况下便携式无人机的测图相对精度是当前急需解决的技术难题，对当前的无人机行业应用具有重要意义。为解决上述问题，本发明提供了一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，能够对当前不具备差分GPS的便携式无人机成像系统进行相对距离测量误差估算，方便不同应用领域根据测量精度要求选择合适的便携式无人机航测系统开展免地面控制点的航测应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，能够对当前不具备差分GPS的便携式无人机成像系统进行相对距离测量误差估算，方便不同应用领域根据测量精度要求选择合适的便携式无人机航测系统开展免地面控制点的航测应用。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，包括以下步骤：
S1、选择场地布设n个控制点，采用高精度GPS量取每个控制点的实际坐标，采用便携式无人机对布设控制点区域进行正射航拍，利用空三处理软件对航拍照片进行无控制点空中三角测量，生成正射影像，量取正射影像上各控制点图案的影像坐标；重复S1获得若干个不同便携式无人系统的测量数据；
S2、计算每个便携式无人系统中两两控制点之间的真实距离和影像距离之间的水平距离差和三维距离差；
S3、对每个便携式无人系统中n个控制点的
Figure BDA0002827015640000031
个控制点点对的水平距离差按其真实距离进行散点投影和线性拟合，获得若干个便携式无人系统的线性拟合公式和相关系数，根据误差分布模式筛选出具有一致性和单调性的便携式无人机系统进行精度评定；
S4、将具有一致性和单调性误差分布模式的测量数据组成二维数组，按真实水平距离递增方式进行排序，并以固定间隔分组，计算每组的误差均值和标准差，将误差均值标记为Mk，将标准差标记为σk；
S5、对误差上限Mk+σk，误差下限Mk-σk和误差均值Mk分别进行线性拟合，获得误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式及其相关系数，并根据误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式推算出无控制点情况下便携式无人机的相对水平测量精度与测量距离之间的关系；
S6、按S3-S5原理计算无控制点情况下便携式无人机的相对三维测量精度与测量距离之间的关系。
在以上技术方案的基础上，优选的，S1中控制点的数量大于20，且控制点图案大小满足设定飞行高度下不少于10个像素大小。
在以上技术方案的基础上，优选的，S1中便携式无人机对布设控制点区域进行正射航拍的航线大于4条，航拍照片的航向重叠度和旁向重叠度大于70％。
在以上技术方案的基础上，优选的，S2中将控制点标记为GCPn，将控制点GCPi和GCPj之间的水平距离差标记为
Figure BDA0002827015640000032
将控制点GCPi和GCPj三维距离差标记为
Figure BDA0002827015640000033
Figure BDA0002827015640000041
Figure BDA0002827015640000042
式中，
Figure BDA0002827015640000043
分别表示控制点GCPi和GCPj之间的真实水平距离和影像水平距离；
Figure BDA0002827015640000044
分别表示控制点GCPi和GCPj之间的真实三维距离和影像三维距离。
在以上技术方案的基础上，优选的，S3中线性拟合公式为y＝ax+b，相关系数为R2。
在以上技术方案的基础上，优选的，S4中二维数组为
Figure BDA0002827015640000045
本发明的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)可对未装备差分GPS的便携式无人机的相对测量精度进行检测；
(2)可筛选出相对距离测量误差具有一致性和单调性的便携式无人机系统；
(3)可对便携式无人机系统的相对距离测量误差进行定量评估，给出不同测量距离下的测量误差参考范围；
(4)可根据相对距离测量误差范围评估便携式无人机系统在无控制点情况下测量的有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法中精度检测航线规划及控制点布设示意图；
图2为本发明一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法中具备相对水平测量精度误差分布模式；
图3为本发明一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法中不具备相对水平测量精度误差分布模式；
图4为本发明一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法中真实水平测量误差估算；
图5本发明一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法中无控制点情况下便携式无人机的相对水平测量精度与测量距离之间的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
当前提高无人机测量精度的方法主要有镜头校正法、差分法和控制点纠正法，其中，差分法是在无人机硬件设备上增加差分GPS，通过RTK或PPK技术获取高精度的无人机姿态信息，提高解算影像的测量精度。但是采用增加差分GPS的方式会导致便携式无人机的体积增大，成本增加，便捷性降低。因此，为解决上述问题，本实施例提供了一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法能够对当前不具备差分GPS的便携式无人机成像系统进行相对距离测量误差估算。
本发明的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其包括以下步骤：
S1、选择场地布设n个控制点，采用高精度GPS量取每个控制点的实际坐标，采用便携式无人机对布设控制点区域进行正射航拍，利用空三处理软件对航拍照片进行无控制点空中三角测量，生成正射影像，量取正射影像上各控制点图案的影像坐标；重复S1获得若干个不同便携式无人系统的测量数据；
本实施例中，如图1所示，将控制点标记为GCPn，控制点的数量应大于20，且控制点图案大小满足设定飞行高度下不少于10个像素大小。便携式无人机对布设控制点区域进行正射航拍的航线大于4条，航拍照片的航向重叠度和旁向重叠度大于70％。将高精度GPS量取每个控制点的实际坐标标记为(Xreal，Yreal，Zreal)，将正射影像上各控制点图案的影像坐标标记为(Ximage，Yimage，Zimage)。
S2、计算每个便携式无人系统中两两控制点之间的真实距离和影像距离之间的水平距离差和三维距离差；将控制点GCPi和GCPj之间的水平距离差标记为
Figure BDA0002827015640000061
将控制点GCPi和GCPj三维距离差标记为
Figure BDA0002827015640000062
Figure BDA0002827015640000063
Figure BDA0002827015640000064
式中，
Figure BDA0002827015640000065
分别表示控制点GCPi和GCPj之间的真实水平距离和影像水平距离；
Figure BDA0002827015640000066
分别表示控制点GCPi和GCPj之间的真实三维距离和影像三维距离。
S3、对每个便携式无人系统中n个控制点的
Figure BDA0002827015640000071
个控制点点对的水平距离差按其真实距离进行散点投影和线性拟合，获得若干个便携式无人系统的线性拟合公式和相关系数，根据误差分布模式筛选出具有一致性和单调性的便携式无人机系统进行精度评定；
本实施例中，若干个便携式无人系统的线性拟合公式为y＝ax+b，相关系数为R2。采用步骤S2-S3可以在若干个便携式无人机中挑选符合要求的便携式无人机进行精度评定，被选中的便携式无人机对应的便携式无人系统适用于本实施例的精度评定。图2和图3分别为两台便携式无人机水平测量精度误差分布模式，其中，图2的线性拟合公式为y＝0.0015x+0.0931，R2＝0.7302，图3的线性拟合公式为y＝-4E-5x+0.7539，R2＝4E-5。由图2和图3的点集分布状态可知，图2便携式无人机系统的相对水平测量误差具有一致性和单调性，图3无人机系统则不具有，因此，图3对应的便携式无人机不适合进行本实施例的精度评定，以图2的便携式无人机系统进行下一步精度评定。
S4、将具有一致性和单调性误差分布模式的测量数据组成二维数组，按真实水平距离递增方式进行排序，并以固定间隔分组，计算每组的误差均值和标准差，将误差均值标记为Mk，将标准差标记为σk；
其中，二维数组为
Figure BDA0002827015640000072
S5、对误差上限Mk+σk，误差下限Mk-σk和误差均值Mk分别进行线性拟合，获得误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式及其相关系数，并根据误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式推算出无控制点情况下便携式无人机的相对水平测量精度与测量距离之间的关系；
本实施例中，在图2为评定的便携式无人机系统的前提下，误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式及其相关系数如图4所示，其中，误差上限的线性拟合公式及其相关系数分别为y＝0.000705x+0.5185，R2＝0.9090；误差下限的线性拟合公式及其相关系数分别为y＝0.000396x-0.13372，R2＝0.9596；误差均值的线性拟合公式及其相关系数分别为y＝0.000525x+0.20452，R2＝0.8618。
根据误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式推算出无控制点情况下便携式无人机的相对水平测量精度与测量距离之间的关系如图5所示。
S6、按S3-S5原理计算无控制点情况下便携式无人机的相对三维测量精度与测量距离之间的关系。其中，计算无控制点情况下便携式无人机的相对三维测量精度与测量距离之间的关系与步骤S3-S5的原理和过程一样，因此，在此不再累述。
本实施例的有益效果为：可对未装备差分GPS的便携式无人机的相对测量精度进行检测；
可筛选出相对距离测量误差具有一致性和单调性的便携式无人机系统；
可对便携式无人机系统的相对距离测量误差进行定量评估，给出不同测量距离下的测量误差参考范围；
可根据相对距离测量误差范围评估便携式无人机系统在无控制点情况下测量的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、选择场地布设n个控制点，采用高精度GPS量取每个控制点的实际坐标，采用便携式无人机对布设控制点区域进行正射航拍，利用空三处理软件对航拍照片进行无控制点空中三角测量，生成正射影像，量取正射影像上各控制点图案的影像坐标；重复S1获得若干个不同便携式无人系统的测量数据；
S2、计算每个便携式无人系统中两两控制点之间的真实距离和影像距离之间的水平距离差和三维距离差；
S3、对每个便携式无人系统中n个控制点的
Figure FDA0002827015630000011
个控制点点对的水平距离差按其真实距离进行散点投影和线性拟合，获得若干个便携式无人系统的线性拟合公式和相关系数，根据误差分布模式筛选出具有一致性和单调性的便携式无人机系统进行精度评定；
S4、将具有一致性和单调性误差分布模式的测量数据组成二维数组，按真实水平距离递增方式进行排序，并以固定间隔分组，计算每组的误差均值和标准差，将误差均值标记为Mk，将标准差标记为σk；
S5、对误差上限Mk+σk，误差下限Mk-σk和误差均值Mk分别进行线性拟合，获得误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式及其相关系数，并根据误差上限、误差下限和误差均值的线性拟合公式推算出无控制点情况下便携式无人机的相对水平测量精度与测量距离之间的关系；
S6、按S3-S5原理计算无控制点情况下便携式无人机的相对三维测量精度与测量距离之间的关系。
2.如权利要求1所述的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其特征在于：所述S1中控制点的数量大于20，且控制点图案大小满足设定飞行高度下不少于10个像素大小。
3.如权利要求1所述的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其特征在于：所述S1中便携式无人机对布设控制点区域进行正射航拍的航线大于4条，航拍照片的航向重叠度和旁向重叠度大于70％。
4.如权利要求1所述的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其特征在于：所述S2中将控制点标记为GCPn，将控制点GCPi和GCPj之间的水平距离差标记为
Figure FDA0002827015630000021
将控制点GCPi和GCPj三维距离差标记为
Figure FDA0002827015630000022
Figure FDA0002827015630000023
Figure FDA0002827015630000024
式中，
Figure FDA0002827015630000025
分别表示控制点GCPi和GCPj之间的真实水平距离和影像水平距离；
Figure FDA0002827015630000026
分别表示控制点GCPi和GCPj之间的真实三维距离和影像三维距离。
5.如权利要求4所述的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其特征在于：所述S3中线性拟合公式为y＝ax+b，相关系数为R2。
6.如权利要求4所述的一种针对便携式无人机无控制点测图相对精度的检测方法，其特征在于：所述S4中二维数组为
Figure FDA0002827015630000027
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