無人機(jī)航攝系統(tǒng)在灘涂高程測量中的應(yīng)用研究

張金華

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

無人機(jī)航攝系統(tǒng)在灘涂高程測量中的應(yīng)用研究

張金華1，2

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

從理論高程精度的公式推導(dǎo)出發(fā)，闡述了像素分辨率和基高比是影響理論高程測量精度的主要因素，指出了理論高程精度對航攝系統(tǒng)的選擇以及飛行參數(shù)的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值；進(jìn)行了無人機(jī)航攝系統(tǒng)在灘涂高程測量中的應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，無人機(jī)航攝系統(tǒng)的實(shí)際高程測量精度可以優(yōu)于±15cm；最后通過理論高程精度和實(shí)測高程精度的對比分析，指出影像質(zhì)量、像控精度以及空三解算精度等因素的優(yōu)化是實(shí)測高程測量精度進(jìn)一步提升的關(guān)鍵。

無人機(jī)航攝系統(tǒng)；灘涂高程測量；基高比；地面分辨率

作為上海市灘涂開發(fā)和后備土地資源研究的重要內(nèi)容，灘涂地形的監(jiān)測一直是海岸帶地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作的重要組成部分［1～5］。為保證灘涂地形的測量精度，目前，陸域?yàn)┩康匦蔚谋O(jiān)測基本都是通過人工跑灘結(jié)合RTK測量的方式進(jìn)行，上海市海岸帶的陸域?yàn)┩恳杂倌噘|(zhì)底質(zhì)為主，且其露出范圍受潮汐影響大，因此人工測量的作業(yè)效率比較低，安全風(fēng)險(xiǎn)比較大。

近年來，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）航空攝影測量系統(tǒng)因具有自動化、智能化、快速獲取等良好的性能被廣泛應(yīng)用于高精度測繪、災(zāi)后應(yīng)急測繪、農(nóng)村土地確權(quán)等測量領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)航空攝影測量系統(tǒng)［6］，無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)具有飛行高度低、像片的地面分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，目前該技術(shù)所取得的平面精度均能達(dá)到《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》中對其生產(chǎn)成果（數(shù)字線劃圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）的A類精度要求［7］，但是高程精度不達(dá)標(biāo)的情況比較常見［8］。本文主要就無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)在陸域?yàn)┩扛叱虦y量中的應(yīng)用可行性進(jìn)行探討。

1　航空攝影測量理論高程精度

航空攝影測量指的是在飛機(jī)上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片，結(jié)合地面控制點(diǎn)測量、調(diào)繪和立體測繪等步驟，繪制出地形圖的作業(yè)。其單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，見圖1（a）。

由此幾何關(guān)系可知

其中，f為相機(jī)焦距，H為攝影航高，m為攝影比例尺，a為像元尺寸，GSD為像片的地面分辨率，即一個像元對應(yīng)的地面尺寸。

圖1　單張像片的中心投影（a）和立體像對幾何關(guān)系（b）Fig.1　The central projection of single image （a） and the geometrical relation of stereo pair （b）

攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)則是立體測圖的基本原理，見圖1（b）。由其幾何關(guān)系可以得到:

其中B為攝影基線，b為影像基線，lx為影像寬度，p%為航向重疊度，α為交會角，B/H為基高比。

假設(shè)像點(diǎn)的坐標(biāo)量測精度mxy為1/k個像素尺寸，即：

以上我們推導(dǎo)了航空攝影測量的理論高程精度，從式（9）可以看到，攝影測量的高程精度與相機(jī)的像素大小、坐標(biāo)量測精度、攝影高度、影像像幅、航向重疊率等因素相關(guān)。但是在實(shí)際作業(yè)過程中，影響航攝高程精度的還有影像的質(zhì)量、像控的精度、空三的解算精度等因素，但是理論高程精度可以在飛行外業(yè)前計(jì)算得到，對選擇像素較小、影像像幅較大的航攝系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)攝影高度、航向重疊度等飛行參數(shù)有很好的參考和指導(dǎo)作用。

2　無人機(jī)灘涂高程測量應(yīng)用

為了解無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)在灘涂高程測量中的實(shí)際應(yīng)用效果，本文選擇上海市橫沙島新吹填的灘涂作為試驗(yàn)場地。該試驗(yàn)場地主要以光灘為主，無植被覆蓋，范圍大小約為750m×750m，同時該區(qū)域設(shè)有RTK基站和若干平高控制點(diǎn)，有利于像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的布設(shè)。

2.1灘涂高程測量實(shí)際精度

本次試驗(yàn)所采用的無人機(jī)航攝系統(tǒng)主要有天寶UX5HP和碳基藍(lán)鳥兩種，兩者采用相同的像控點(diǎn)布設(shè)方案，并布設(shè)了60個人工RTK測量檢查點(diǎn)對其高程成果進(jìn)行比對，本次試驗(yàn)所涉及的主要航攝系統(tǒng)參數(shù)、飛行參數(shù)以及高程比對結(jié)果見表1。

表1　試驗(yàn)情況及高程比對結(jié)果Table 1　Test parameters and height comparison results

試驗(yàn)區(qū)域RTK測量的平面精度優(yōu)于±5cm，高程精度優(yōu)于±10cm，根據(jù)以往人工RTK測量灘涂的數(shù)據(jù)，其高程精度為±5cm～±10cm。從表1可以看到，兩款無人機(jī)航攝系統(tǒng)的高程實(shí)測精度相當(dāng)，雖然比人工RTK測量的精度低，但是高于1:500比例尺DEM生產(chǎn)成果±35cm的精度要求。

2.2灘涂高程測量理論精度

數(shù)碼像片的坐標(biāo)量測精度mxy可以達(dá)到1/3～1/2個像素尺寸［9］，這里取1/k=1/2的像素尺寸作為像片的量測精度mxy。本文根據(jù)表1的參數(shù)和前面推導(dǎo)的相關(guān)公式，計(jì)算了地面分辨率GSD、影像基線b、基高比（B/H）、理論高程精度mh等因子，見表2。

在不考慮像片質(zhì)量、像控精度、空三解算精度的情況下，兩款無人機(jī)航攝系統(tǒng)的理論高程精度均優(yōu)于±10cm，在一定程度上反映了目前無人機(jī)航攝系統(tǒng)的高程測量水平。

表2　理論高程精度涉及的相關(guān)參數(shù)Table 2　The related parameters of theoretical elevation accuracy

2.3高程測量精度對比分析

相對傳統(tǒng)的航空攝影測量系統(tǒng)，無人機(jī)航攝系統(tǒng)的像幅小、基線短，基高比?。?0，11］，但是其理論高程精度并不低，這主要是得益于其飛行高度低，像片的地面分辨率高。

天寶UX5HP的相機(jī)配置要比碳基藍(lán)鳥的高，像片的地面分辨率高，但是其航向重疊度太高，降低了基高比，影響了其高程測量精度。因此，從這個意義上說，航向重疊度也不是越高越好。

兩款無人機(jī)航攝系統(tǒng)的基高比相差1倍，但是兩者的理論高程精度和實(shí)際高程測量精度都比較接近，說明不能簡單地以基高比的大小來評判無人機(jī)航攝系統(tǒng)高程測量精度的高低。

通過兩款無人機(jī)航攝系統(tǒng)實(shí)際高程測量精度和理論高程精度的對比，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際高程測量精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論高程精度，反映出像片的質(zhì)量、像控布設(shè)精度、空三解算精度等因素對于高程實(shí)測精度的影響是很大的。如何提高影像質(zhì)量、像控精度和空三解算精度，是提高實(shí)測高程測量精度的關(guān)鍵。

本次試驗(yàn)中，像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的高程測量都是通過RTK實(shí)現(xiàn)的，這些控制點(diǎn)本身就有±5cm～±10cm的誤差，因此，這在一定程度上也影響了無人機(jī)航攝系統(tǒng)真實(shí)的高程測量精度。如果像控點(diǎn)的高程精度能進(jìn)一步提高，獲得的無人機(jī)航攝系統(tǒng)高程測量精度會更加客觀。

3　結(jié)論與展望

無人機(jī)航攝系統(tǒng)的理論高程精度雖然只是影響實(shí)際高程測量精度的一個方面，但是其反映了航攝系統(tǒng)的高程測量精度水平，其最重要的意義在于能在航攝飛行設(shè)計(jì)階段為相關(guān)參數(shù)的選擇和設(shè)置提供有力的依據(jù)。

本次試驗(yàn)表明，無人機(jī)航攝系統(tǒng)在地形比較平坦、無植被的灘涂區(qū)域進(jìn)行高程測量時，其實(shí)測精度能達(dá)到優(yōu)于±15cm的水平。但是本次試驗(yàn)沒有對像片質(zhì)量、像控精度等方面進(jìn)行深入研究，因此，如果在這些方面能有所優(yōu)化，如采用精密水準(zhǔn)代替RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)的高程測量等等，無人機(jī)航攝系統(tǒng)的高程測量精度有望會有進(jìn)一步的提升。

無人機(jī)航攝系統(tǒng)雖然存在像幅小、基高比低等不足，但是其飛行高度低，像片的地面分辨率高，使其高程測量精度可與傳統(tǒng)航攝系統(tǒng)相媲美，甚至更高。因此，單從測量精度上講，無人機(jī)航攝系統(tǒng)也具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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A pilot study on the application of a UAV aerial photography system in the tidal flat elevation

ZHANG Jin-Hua1,2
（1. Shanghai Institute of Geological Survey， Shanghai 200072， China；
2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention， Ministry of Land and Resources of P. R. China， Shanghai 200072， China）

Firstly， we derived a formula for the theoretical elevation precision， based on aerial photography technology. This makes it clear that the image resolution and the baseline height ratio are the main factors that affect the theoretical elevation precision. It is pointed out that the theoretical elevation precision has great value for the selection of the aerial photography system and the setting of the flight parameters. Secondly， we conducted an experiment on the application of an unmanned aerial vehicle （UAV） aerial photography system in the tidal flat elevation. The test results showed that the actual elevation measurement accuracy of the UAV aerial photography system can be less than ±15cm. We also conducted a comparative analysis of the theoretical elevation accuracy and the measured elevation accuracy， and confirmed that the optimization of factors such as image quality， photograph-control points， measurement precision and aerial triangulation accuracy， are key to further improvement in the accuracy of elevation measurement.

unmanned aerial vehicle （UAV） aerial photography system； tidal flat elevation measurement； base to height ratio； ground resolution

P224

A

2095-1329（2016）03-0086-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.020

2016-07-28

2016-08-26

張金華（1985-），男，碩士，注冊測繪師，主要從事地面沉降測量研究及海岸帶地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測研究.

電子郵箱: tianwei713_@163.com

聯(lián)系電話: 021-56618218

國家公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201211009）；國家海洋地質(zhì)保障工程項(xiàng)目（GZH201200506）