一种大水域无人机摄影测量像控点布设方法及装置与流程

本发明属于测绘工程，具体涉及一种大水域无人机摄影测量像控点布设方法及装置。

背景技术：

1、无人机摄影测量凭借机动灵活、作业成本低、数据获取效率高等优势，已广泛应用于地形测绘、水利库区勘测、河道地形监测、湖泊生态勘测、水库库容测算等测绘工程场景。在陆地硬化路面、平缓裸地、村镇建设用地等常规测区开展航测作业时，可通过现场喷涂标识、预制硬质标石、地面可折叠标靶等方式布设固定像控点，标体稳定、影像辨识度高，配合标准化网格布点方案即可满足空三解算（无人机拍一堆航拍照片，每张照片只知道相机大概位置，缺乏精准坐标、相机倾斜角度、照片之间精确相对位置等信息，直接拼影像会歪、错位、变形；空三解算就是利用像控点的精准地面坐标，自动计算出每一张航拍照片精确拍摄位置、相机姿态，同时算出地面所有像素对应的真实三维坐标，把成千上万张照片统一校准到同一套大地坐标系下，是制作正射影像、三维模型、地形图的核心工序）与成果成图精度规范要求，相关布设工艺、标体结构已形成成熟技术体系。

2、但针对水库、大型湖泊、宽阔河道等大水域测区开展无人机摄影测量时，水域特殊环境给像控点布设带来多重固有技术瓶颈，现有陆地像控布设方案、常规水面浮式标靶均无法适配大水域复杂工况，行业内长期存在多项难以根除的技术痛点，具体如下：

3、①水面无稳定固定基准，天然缺失可靠地面控制条件。水体表面无硬质承载基底，无法直接埋设、喷涂固定式像控标识；开阔水面纹理单一、大面积灰度均匀，缺乏天然可识别特征点，仅依靠无人机机载pos辅助定位无地面约束，空中三角测量易出现漂移、分层、拼接错位，大幅降低正射影像、水下地形三维模型的平面与高程精度，无法满足1:500、1:1000等大比例尺水利测绘规范精度要求。少量近岸陆地点仅能约束测区边缘，水域中部、离岸深水区域无有效控制，整体测区控制网几何强度严重不足。

4、②现有水面漂浮式像控标体抗扰动能力差，点位稳定性无法达标。当前市面通用水面航测标靶多为简易浮板搭配单一配重、单根锚绳结构，锚定结构简单、受力均衡性差。在水流冲击、水面风力作用下极易发生水平漂移、浮板侧翻、标体倾斜扭曲；深水区域、流速湍急河段、大风天气下标体偏移量可达分米级甚至米级，rtk（real-time kinematic，实时动态载波相位差分定位技术）采集的标靶中心坐标与航拍影像内标靶成像位置存在系统性偏差，直接造成内业刺点误差超限，空三平差失败。同时单一锚绳结构易出现锚体滑移、水底淤泥埋没重锤、绳体倾斜失衡等问题，无适配不同底质、水深、流速的自适应锚定设计，标体稳定可靠性难以保障。

5、③锚定布设参数全凭作业人员经验设定，无环境自适应定量计算逻辑，资源与精度难以平衡。传统水面像控作业采用统一固定绳长、固定配重重锤开展全水域布设，未区分测区内水深梯度、表层水流速、水面风速、河床底质差异：淤泥质河床摩擦力小，统一配重易出现锚体滑移；砾石、岩石河床摩擦力大，统一大配重造成材料、运输人力浪费；深水区域绳长不足导致浮板被水流拖拽，浅水区域绳长过长造成浮标大范围摆动。整套锚定参数无标准化计算公式与分级匹配规则，完全依赖外业人员现场经验判断，同一水域内部分点位锚定失效、部分点位过度配置，既增加作业耗材成本，又无法统一保障全水域标体稳定性。

6、④像控点布设密度依靠人工经验网格均分，未与无人机航测核心参数、水面纹理特征联动匹配，布点疏密失衡。现有水域布点普遍采用等间距均匀网格布设，仅依据测区面积粗略设定点位间距，未关联飞行相对航高、相机焦距、传感器像元尺寸、航向、旁向影像重叠度计算gsd（ground sampling distance，地面采样距离），也未区分开阔静水、波纹水域、近岸水草区、通航河道等不同水面纹理稀疏程度差异化布点。实际作业中易出现两类问题：纹理极度匮乏的开阔水库中心布点过疏，单张影像覆盖像控点数量不足，同名点匹配断裂；近岸水草、浅滩纹理丰富区域过度加密布设，造成大量冗余点位，大幅增加rtk测点、标体投放、后期回收的人工与时间成本，作业经济性差。

7、⑤作业流程为一次性布设后直接开展正式航拍，缺少试飞影像质量反馈与迭代补设机制，问题滞后暴露、返工成本高。传统作业模式为先一次性投放全部水面像控标，完成rtk坐标采集后直接执行完整航线航拍，布设方案有效性无前置验证环节。受水面镜面反光、波浪纹理遮挡、强光逆光等光学干扰，部分区域标靶在航拍影像中会出现标识模糊、十字中心无法识别、单张影像可见控制点数量不足等质量缺陷，该类问题仅能在内业解算阶段发现。一旦出现空三拼接空洞、区域错位、模型精度不达标，必须二次进场重新投放、加密标靶，重复完成rtk坐标采集与航拍，大幅拉长项目工期，同时增加船只、人员、浮标耗材的重复投入。

8、⑥现有浮式像控装置结构受力不均衡，抗流抗风性能弱，标准化适配性不足。常规单绳单点配重浮标仅依靠单根钢丝绳牵拉浮板，水流、风力作用下浮板受力单侧集中，极易偏转翻转；无三分线均匀锚定结构，无法通过多向配重抵消多方向水流、风力冲击力，浮板标识始终难以保持水平正对航拍镜头，影像内标靶透视变形严重，进一步加剧内业刺点误差。

9、专利公开号cn110053719a公开了一种水上定位浮标及定位方法，通过浮球、可收放绳索与锥形锚体配合实现水面点位锚定，依靠卷绕机构适配水深调整绳长、底部平衡块提升浮标基础平稳性，可用于水面航测控制点布设，能够实现水面点位基础定位，解决简易浮标绳长无法适配水深的基础问题。但是其仅采用单根绳索单点牵拉锚定结构，仅依靠人工经验匹配配重，采用一次性均匀网格布点，仅能提供基础水面定位基准，存在浮标易漂移翻转、布点疏密完全依赖经验、无前置影像质量校验、返工成本高的缺陷，难以适配大水域深水、急流、大风复杂工况下高精度无人机航测规模化作业场景。

10、专利公开号cn119104037a公开了一种用于水利工程的无人机航测像控点布设方法、系统、产品，通过河道测区分块、基于影像像素、重叠度计算单像片基线长度，结合成图比例尺确定航向、旁向像控布设间距，可减少河道岸线像控点布设数量，提升狭长河道测区布点效率，能够联动航测相机参数规划陆地控制点网格；但是其仅针对河道岸陆固定式像控标布设，完全未涉及大水域漂浮式像控浮标装置，无水面水深、水流、风力对应的自适应锚定参数计算体系，无法解决开阔水域无固定基底、浮标易漂移、水面影像辨识度差带来的一系列布设难题，不能直接应用于水库、宽阔湖泊等大水域离岸深水区域航测布点。

11、因此，行业亟需一种可根据水域现场环境自动计算锚定参数、结合航测与水面纹理特征优化布点密度的大水域无人机摄影测量像控点智能布设方法，同时配套具备多向均衡锚定、高抗扰动性能的水面像控装置，解决现有技术稳定性差、布设粗放、无质量校验、返工率高的行业难题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题在于，当前大水域无人机摄影领域缺乏一种能够解决定位困难、空三解算偏差严重的方法。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种大水域无人机摄影测量像控点布设方法，包括以下步骤：

4、s1、布设区域环境参数采集：采集待布设水域各预设点位的环境参数，所述环境参数包括水深、表层水流速度、水面上方风速；

5、s2、布设参数自适应计算：根据各点位环境参数自适应计算锚定参数，包括分支钢丝绳长度、匹配重锤重量，依据水底底质类型选取对应安全系数完成重锤重量定量计算；

6、s3、布设密度与航测参数联动优化：联动无人机航测参数与水面纹理特征计算像控点最优布设间距，生成水域布设网格方案；最优布设间距的计算基于飞行高度、地面采样距离gsd以及单张影像的有效地面覆盖宽度；

7、s4、初始布设：按照布设网格方案与自适应锚定参数投放水面像控点装置；

8、s5、rtk坐标采集：采用rtk采集全部已布设像控点的三维大地坐标(x0,y0,z0)；

9、s6、试飞影像采集与质量评估：开展无人机试飞影像采集与现场快速质量评估；在各像控点上方、网格中心定点悬停拍摄垂直影像，分别判读浮板标识可识别性、网格中心可见像控点数量，划分不合格薄弱区域、需关注待观察区域；

10、s7、针对性补设：针对评估划分的薄弱区域按照加密系数分级加密补设像控点，补设完成后复测rtk坐标；

11、s8、迭代验证：迭代执行步骤s6~s7，直至全水域影像质量全部达标，完成像控点布设。

12、突破传统大水域像控点一次性凭经验布设、无前置质量校验的作业模式；一方面根据水域真实工况自动匹配浮标锚定条件、结合航飞与水面纹理智能规划布点间距，从源头平衡标体稳定性与布点疏密合理性；另一方面引入试飞影像现场评估、薄弱区域分级补设与迭代验证机制，可在正式航拍前提前识别水面反光、波纹造成的控制点成像失效问题，避免后期内业空三解算出错后二次进场返工，大幅降低外业船只、人工、耗材成本，同步提升大水域航测整体控制网精度与作业效率。

13、优选的，步骤s2中分支钢丝绳长度计算公式为，重锤重量计算公式为；其中为钢丝绳与铅垂线夹角，为水深，为分支钢丝绳长度，为分支钢丝绳及重锤水下等效阻水面积，为浮板等效迎风面积，为表层水流速度，为风速，为重锤重量，为安全系数。

14、将浮标配重、绳长配置由人工经验改为标准化公式定量计算，结合水深、水流、风速、河床底质差异化确定配重，适配不同水域工况，有效减少浮标漂移、配重浪费问题。

15、优选的，所述单根分支钢丝绳及重锤的水下等效阻水面积的计算公式为：；式中为钢丝绳直径，为绳长，为重锤迎水面积。

16、优选的，步骤s3中所述地面采样距离计算公式：；所述单张影像有效地面覆盖宽度计算公式：、；所述最优布设间距计算公式：；式中，为影像像素维数，、分别为航向、旁向重叠度，分别表示航向、旁向有效覆盖宽度，为单张影像内所需覆盖的像控点最小等效像素数，为无人机飞行高度，为相机像元尺寸，为相机焦距；为水域纹理稀疏度系数；为地面采样距离，为最优布设间距。

17、建立航飞参数、相机参数、水面纹理与布点间距的量化关联，替代传统等距经验布点，按需差异化调控布点密度，在保障空三解算精度的同时节约布设成本。

18、优选的，步骤s6影像质量评估标准包括像控点可识别性和网格中心影像可见像控点数量；所述像控点可识别性以及网格中心影像可见像控点数量均包括合格、待定以及不合格；

19、其中所述像控点可识别性的合格设为红白标识、中心十字清晰无反光遮挡，待定设为轻微反光但标识可辨认，不合格设为波纹或强光导致标靶完全无法识别；

20、所述网格中心影像可见像控点数量的合格设为可见像控点数量≥4个，待定设为可见像控点数量为2~3个，不合格设定为可见像控点数量0~1个。

21、设置标靶清晰度、控制点可见数量双重三级判定标准，外业可现场快速划分薄弱区域，无需复杂内业软件处理，为定点加密补设提供量化判定依据。

22、优选的，步骤s7加密补设间距计算公式：；式中为加密系数，为加密补设间距。

23、通过公式量化加密间距，统一薄弱区域加密计算逻辑，避免人工随意加密导致点位冗余或加密不足，实现补设间距标准化管控。

24、优选的，所述的取值不大于1，且设定为：若图像拼接失败或显示空洞，认定为严重薄弱，此时取0.3~0.4；若拼接明显错位，认定为中度薄弱，此时取0.4~0.6；若拼接有轻微错位，认定为轻度薄弱，此时取0.6~0.7。

25、本发明还公开一种采用所述大水域无人机摄影测量像控点布设方法的装置，包括浮板、分线器、分支钢丝绳、铸铁重锤；

26、所述分线器包含上固定杆、下固定杆与斜向连接杆；所述分支钢丝绳包括多根，多根分支钢丝绳的一端共同连接于斜向连接杆上；斜向连接杆的中心处连接于下固定杆的下端部，所述下固定杆的上端部与上固定杆的下端部连接；所述上固定杆贯穿浮板，且位于浮板正中心。

27、采用分线器多向均匀斜拉结构，多方向抵消水流、风力冲击，防止浮板漂移侧翻，保证浮标标识水平朝上，提升航拍识别效果。

28、优选的，所述分支钢丝绳长度依据水深、钢丝绳铅垂夹角的变化而相适应变化，所述铸铁重锤重量根据水深、水流、风速、水底底质分级选配。

29、装置绳长、配重可配合前文自适应计算流程按需选配，装置与智能布设方法深度适配，适配复杂多变的水域环境。

30、优选的，所述浮板为方形硬质浮体，且浮于水面侧涂布反光颜料。

31、方形硬质浮体辨识度高、不易变形；表层防水颜料可防止标识褪色脱落、增加拍摄识别性，延长浮标野外使用周期，降低耗材更换成本。

32、本发明的优点在于：

33、（1）锚定参数环境自适应计算：摒弃传统依靠人工经验统一配置绳长、配重的粗放模式，通过水深、流速、风速、河床底质多参数配套定量计算公式，精准匹配每一处点位的钢丝绳长度与重锤重量；搭配均衡受力浮标装置，多向抵消水流、风力冲击，从计算、硬件双重层面解决浮标漂移、翻转难题，适配深水、急流、淤泥或岩石河床等各类复杂大水域工况；

34、（2）联动计算最优布距，兼顾精度与布设成本：不再采用固定网格等距布点，依托gsd、影像重叠度、水面纹理稀疏系数建立量化模型，区分开阔静水、波纹河道、近岸水草区差异化调控像控点间距；既能保证每张航拍影像包含充足控制点，强化空三解算精度，又可避免点位过度布设造成人工、浮标耗材浪费；

35、（3）避免二次进场返工：“试飞评估—区域分级—针对性加密—迭代复检”闭环流程，现场通过双重三级判读标准快速识别反光、波纹造成的成像薄弱区域，依据缺陷严重程度匹配对应加密系数分层补设；在正式航拍前提前消除控制点匹配缺陷，规避传统一次性布设后内业发现问题再二次租船、进场施工的高额时间与物料成本；

36、（4）装置具备多向均衡功能：配套分线器周向均匀斜拉的专用浮标结构，区别于传统单绳浮标抗扰能力差的缺陷；浮标绳长、配重可完全匹配自适应计算结果按需选配，硬质防水方形浮板成像辨识度高、耐用性强，硬件结构完整支撑整套智能布设工艺落地，实现方法、装置一体化协同增效。