無(wú)人機(jī)航測(cè)精度提升的策略分析

李向可

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河南總隊(duì)，河南 信陽(yáng) 464001）

1 引言

航測(cè)技術(shù)獲取的空間信息產(chǎn)品主要包括線劃地形圖、正射影像以及高程模型等，其獲取空間信息產(chǎn)品的主要方法是對(duì)其所采集的照片進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮笃谔幚韀1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字化航空攝影測(cè)量技術(shù)等全新的航測(cè)技術(shù)在2000年以后井噴式出現(xiàn)，為航測(cè)技術(shù)向著更高、更精、更尖方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為測(cè)量領(lǐng)域注入了活力。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為航空攝影技術(shù)不可或缺的一分子，因其航測(cè)效率高且具有較強(qiáng)的靈活性，受到了越來(lái)越多從業(yè)者的廣泛關(guān)注。但是無(wú)人機(jī)航測(cè)質(zhì)量常受到采集照片的姿態(tài)差、尺寸小以及畸變大等不利因素的影響[2]?；诖?，為了讓無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)盡最大可能地獲取最佳空間信息，必須要正確分析出這些不利因素對(duì)航測(cè)質(zhì)量的具體影響，并采取積極有效措施來(lái)消除這些不利影響。

2 影響無(wú)人機(jī)航測(cè)質(zhì)量的不利條件

2.1 飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性欠佳

無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的控制方法主要有兩種，一種是無(wú)人機(jī)自身的飛行控制系統(tǒng)控制；另一種是無(wú)人機(jī)操控手遠(yuǎn)程控制[3]。無(wú)論哪種飛行姿態(tài)控制方式都無(wú)法彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)自重輕、機(jī)身慣性小以及機(jī)身受空氣流動(dòng)影響大的基本事實(shí)，也正是受制于這種基本事實(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中的仰俯角度、旋偏角度以及側(cè)滾角度的變化幅度都要略大于傳統(tǒng)手段的航測(cè)技術(shù)。根據(jù)航測(cè)照片質(zhì)量規(guī)范要求可知，航測(cè)照片的傾斜角度應(yīng)小于5°，測(cè)量地區(qū)不處于困難模式下的最大傾斜角度應(yīng)小于12°，而傾斜角度超過(guò)8°的航測(cè)照片數(shù)量應(yīng)在總航測(cè)照片數(shù)量的10%以下。而無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中所獲取的照片相應(yīng)指標(biāo)大多數(shù)情況下都會(huì)超出規(guī)范要求[4]。

2.2 航帶排列不整齊

因?yàn)闊o(wú)人機(jī)自身質(zhì)量輕，在航測(cè)過(guò)程中飛行的無(wú)人機(jī)機(jī)身受橫向的側(cè)風(fēng)、前進(jìn)方向的逆風(fēng)或者順風(fēng)的影響較大。再加上無(wú)人機(jī)仰俯角度、旋偏角度以及側(cè)滾角度變化幅度較大的原因，無(wú)人機(jī)航帶排列不整齊，最直觀的表現(xiàn)就是航向重疊度和旁向重疊度的變化幅度較大，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏拍的情形。

2.3 旋偏角度與影像畸變均較大

無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中時(shí)常會(huì)受到不穩(wěn)定氣流和側(cè)風(fēng)的干擾影響，在側(cè)風(fēng)和不穩(wěn)定氣流的影響下，無(wú)人機(jī)獲取的兩張相鄰照片出現(xiàn)旋偏角大于15°（根據(jù)規(guī)范要求，航測(cè)照片的旋轉(zhuǎn)角度不宜大于15°）的概率增加。

考慮到測(cè)量的成本，大部分無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中搭載的相機(jī)都是普通的單反相機(jī)，其畸變量相對(duì)于專業(yè)的航攝儀來(lái)說(shuō)肯定是較大的，搭載普通單反相機(jī)的無(wú)人機(jī)航測(cè)影像邊緣處畸變量可達(dá)到40像素甚至更高。

2.4 航測(cè)影像數(shù)量多且像幅小

通過(guò)前文的論述可知，無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性欠佳、航帶排列不整齊以及旋偏角度與影像畸變均較大等不利情形，而在實(shí)際測(cè)量中為了規(guī)避這些不利因素，避免出現(xiàn)漏拍的情形，通常采取提高旁向重疊度或者提高航向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目的，這種方法雖然可以大幅度降低漏拍的概率，但是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)搭載的普通單反相機(jī)像幅小，如果要滿足重疊度的預(yù)定目標(biāo)，就需要成倍增加測(cè)區(qū)內(nèi)的影像數(shù)量，直接導(dǎo)致航測(cè)后期處理的工作量激增，降低了航測(cè)工作效率[5]。

2.5 模型數(shù)量多且基高比小

模型基高比的大小與相片的重疊度和像幅有密切關(guān)聯(lián)，當(dāng)相片重疊度大且像幅小時(shí)，模型的基高比就越小，反之亦然。較小的模型基高比會(huì)導(dǎo)致航測(cè)圖的精度降低。此外，模型的數(shù)量多必然導(dǎo)致同比例模型數(shù)量變多，這就直接導(dǎo)致后期需要調(diào)用的模型數(shù)量增多，需要不停地在同類型模型之間進(jìn)行反復(fù)切換[6]。如果按照傳統(tǒng)航測(cè)后期處理做法，如采用空三加密處理方法直接在測(cè)量區(qū)進(jìn)行提點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)，會(huì)因?yàn)闊o(wú)人機(jī)航測(cè)影像的重疊度大小不一、影像排列不規(guī)則以及較大的旋偏角等因素，導(dǎo)致模型連接失敗、不同航帶間轉(zhuǎn)點(diǎn)失敗或者重疊度高的同名點(diǎn)變成重疊度低的同名點(diǎn)等不利情形出現(xiàn)，這些不利情形的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了后期人工干預(yù)處理的工作量直線增加。例如，高山區(qū)的航測(cè)作業(yè)，其航測(cè)質(zhì)量不佳，再加上高山地區(qū)地面紋理差等因素，如果不進(jìn)行后期人工干預(yù)處理，采用空三加密處理方法根本無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)提點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)。除此之外，如果不做后期干預(yù)處理，在無(wú)人機(jī)航測(cè)影像畸變大和模型基高比小的雙重作用下，空三加密處理的效果會(huì)非常差，特別是數(shù)字線劃圖的高程精度更低。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)精度提升的策略

3.1 無(wú)人機(jī)普通單反相機(jī)的畸變糾正

無(wú)人機(jī)航測(cè)精度提升最簡(jiǎn)單且最直接有效的方法是對(duì)普通單反相機(jī)畸變進(jìn)行糾正。具體的糾正措施是先對(duì)普通相機(jī)進(jìn)行檢校來(lái)獲取相機(jī)的畸變參數(shù)，繼而將普通單反相機(jī)變成專業(yè)的可量測(cè)相機(jī)，這樣經(jīng)過(guò)檢校后的相機(jī)所拍攝的照片就可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的中心投影影像。徑向畸變差改正模型的簡(jiǎn)化公式見(jiàn)式（1）和式（2）：

切向畸變差改正模型的簡(jiǎn)化公式見(jiàn)式（3）和式（4）：

式（1）～式（4）中，Δx為像點(diǎn)x坐標(biāo)改正值；Δy為像點(diǎn)y坐標(biāo)改正值；x為以影像中心為原點(diǎn)的像點(diǎn)x軸坐標(biāo)；y為以影像中心為原點(diǎn)的像點(diǎn)y軸坐標(biāo)；x0為像片主點(diǎn)x軸坐標(biāo)；y0為像片主點(diǎn)y軸坐標(biāo)；k1，k2，k3為徑向畸變差系數(shù)；p1，p2為切向畸變差系數(shù)；r為畸變點(diǎn)距離成像儀中心的距離。

根據(jù)上文的徑向、切向畸變差改正模型簡(jiǎn)化公式，再加上大量的檢校場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際偏差值，確定采用最小二乘法可以行之有效地計(jì)算出最接近單反相機(jī)真實(shí)畸變參數(shù)的近似值。普通相機(jī)畸變參數(shù)常用的檢校方法包括采用自動(dòng)檢校場(chǎng)、室內(nèi)和室外檢校場(chǎng)以及借助平板液晶建立檢校場(chǎng)。

3.2 精密像控處理策略

無(wú)人機(jī)航測(cè)空三算法采用主流的“光束法區(qū)域網(wǎng)平差”，對(duì)應(yīng)像控布點(diǎn)方法為“周邊密集布點(diǎn)”方法。

基于光束法區(qū)域網(wǎng)平差的空三算法精度最薄弱的地方在測(cè)量區(qū)域的周圍，而測(cè)量區(qū)域的中心位置精度較高，這就使得在測(cè)量區(qū)域的周圍密級(jí)布控點(diǎn)位時(shí)，區(qū)域網(wǎng)空三測(cè)量精度不會(huì)隨著區(qū)域范圍的增加而改變；而在測(cè)量區(qū)域的控點(diǎn)較隨機(jī)稀疏分布，也就是布控點(diǎn)沒(méi)有更多分布在區(qū)域周圍時(shí)，當(dāng)測(cè)量區(qū)域增加時(shí)，區(qū)域網(wǎng)空三測(cè)量精度降低。換言之，基于光束法區(qū)域網(wǎng)平差的空三算法高程精度與布控點(diǎn)之間的間隔有關(guān)，而與測(cè)量區(qū)域的大小無(wú)關(guān)。如果不考慮增加測(cè)量布控點(diǎn)來(lái)提高測(cè)量精度可以考慮增加航帶來(lái)提高測(cè)量精度。像控點(diǎn)設(shè)置原則除了上面闡述的特征外，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注像控點(diǎn)布置的反差大特點(diǎn)和對(duì)稱分布特點(diǎn)。像控點(diǎn)的反差大特點(diǎn)是為了讓像控點(diǎn)和測(cè)量背景之間呈現(xiàn)出鮮明的對(duì)比，繼而可以準(zhǔn)確、清晰地識(shí)別出像空點(diǎn)的位置。如果把被測(cè)量背景分成黑色和白色兩種顏色，那么像控點(diǎn)最容易清晰和準(zhǔn)確辨別的狀態(tài)就是黑色背景上的白點(diǎn)或者白色背景上的黑點(diǎn)。例如，白色水泥混凝土路面上黑色瀝青線的交匯點(diǎn)或者是黑色瀝青路面上白色的道路標(biāo)記。除此以外，一些人工建筑物等也是實(shí)際測(cè)量中可以實(shí)現(xiàn)反差大需求的重要特征點(diǎn)。像控點(diǎn)對(duì)稱分布是為了彌補(bǔ)空三加點(diǎn)被放大后在邊緣形成的像素灰色地帶這一缺陷，像控點(diǎn)對(duì)稱分布的前提是需要人工布置對(duì)稱分布像控標(biāo)志，雖然增加了額外的測(cè)量工作量，但目前沒(méi)有其他更好的方法來(lái)處理這一問(wèn)題，包括嘗試盡量讓像控點(diǎn)反差清晰和最實(shí)用最方正的像控點(diǎn)都無(wú)法處理邊緣形成的像素灰色地帶這一缺陷。

3.3 GNSS輔助處理策略

外方位元素可以采用POS輔助進(jìn)行直接測(cè)量，通過(guò)POS輔助直接測(cè)量的策略可以將外業(yè)流程中最為耗時(shí)耗力的測(cè)像控點(diǎn)流程免去，繼而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了航測(cè)作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了航空攝影采集和測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)成圖的無(wú)縫銜接。但是POS輔助整體質(zhì)量超過(guò)了無(wú)人機(jī)平臺(tái)的負(fù)重能力，導(dǎo)致POS輔助系統(tǒng)中的慣導(dǎo)設(shè)備無(wú)法全部安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，繼而導(dǎo)致部分POS輔助系統(tǒng)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也就無(wú)法全方位實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。而GNSS輔助差分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了體積小、質(zhì)量輕且功能全的特點(diǎn)，完全可以替代部分POS輔助系統(tǒng)設(shè)備安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上?；诖耍瑢NSS輔助安裝在無(wú)人機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)部分POS輔助的功能，通常情況下是將GNSS輔助功能中的低精度慣導(dǎo)設(shè)備安裝在無(wú)人機(jī)設(shè)備上，GNSS輔助差分作業(yè)的基本方法如圖1所示。

圖1 GNSS輔助差分方法簡(jiǎn)圖

GNSS輔助差分測(cè)量的位置并不是傳統(tǒng)意義測(cè)量的像主點(diǎn)位置，而是GNSS天線的位置，所以在測(cè)量之前要準(zhǔn)確測(cè)量GNSS天線與相機(jī)攝影設(shè)備中心的位置偏差，具體使用方式是依據(jù)天線位置、位置差和連續(xù)兩個(gè)曝光點(diǎn)之間的飛機(jī)姿態(tài)內(nèi)插值進(jìn)行改正，獲得準(zhǔn)確的攝影瞬間像主點(diǎn)的空間坐標(biāo)。地面像控點(diǎn)的設(shè)置數(shù)量在使用了GNSS輔助差分技術(shù)之后得到大幅度減少，但像控點(diǎn)數(shù)量的減少并沒(méi)有降低測(cè)量區(qū)域內(nèi)的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)成果的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)同樣重要，通常采用地面上均勻分布的檢查點(diǎn)來(lái)檢驗(yàn)航測(cè)成果的精度。無(wú)人機(jī)免相控并不是將所有地面工作都取消。相反，地面嚴(yán)格的質(zhì)檢能力是無(wú)人機(jī)航測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量的保障。