旋翼無人機大比例尺測圖應用及精度分析

侯樹慧，李杰，牟冬星，孫偉達

(石家莊市勘察測繪設計研究院，河北 石家莊 050019)

1 引 言

無人機航空攝影測量技術(shù)以其機動、靈活、高效率、低成本、易操作以及在應急救災和小范圍數(shù)據(jù)快速獲取和成圖方面的獨特優(yōu)勢成為常規(guī)航空攝影測量手段的有效補充[1]，帶來航空攝影測量應用領(lǐng)域的變革，同時為大比例尺地形圖測繪提供了新的技術(shù)手段。

多旋翼無人機，操作簡單、安全系數(shù)高、帶有小型云臺[2]，起降方便靈活，受起飛場地限制影響小，利于獲取清晰準確的影像信息[3]；傾斜攝影，通過在一個飛行平臺上搭載多臺傳感器(如五鏡頭、兩鏡頭相機等)，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，從而獲取到地面物體更為完整、全面和準確的信息。相對傳統(tǒng)攝影測量，無人機傾斜攝影手段獲取的成果數(shù)據(jù)類型更豐富、精度更高，這些特點使其更適用于小區(qū)域較高精度的測量任務。

本文緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，探討無人機傾斜攝影技術(shù)應用于小區(qū)域大比例尺地形圖測繪的可行性。

2 項目實施

本次試驗采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取外業(yè)影像數(shù)據(jù)，以Smart3D Capture作為三維建模軟件，在清華山維EPS地理信息工作站平臺下采集生成數(shù)字線劃圖，最終通過對線劃圖精度評定來確定方案的可行性。

為便于數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計分析，選取位于石家莊市勘察測繪設計研究院2017年基礎測繪任務范圍內(nèi)的某科技園作為試驗區(qū)。該區(qū)域有最新現(xiàn)勢性的全站儀測圖成果，面積約 0.15 km2。園區(qū)地勢平坦，海拔介于 70 m～80 m之間，以多層建筑為主，園區(qū)外有少許溝坎，以農(nóng)田為主，難度類別Ⅱ.0。

為保證結(jié)果的普適性，選用市場上常見的A、B、C、D四種不同廠家、不同型號的旋翼無人機為平臺搭載高清航拍相機進行低空傾斜攝影測量；采用GNSS-RTK方式進行預設地面靶標像控點測量。為了更好地對比不同型號無人機的測量精度，此次外業(yè)飛行均按照 1∶500地形圖的要求進行航線設計。航飛前進行了外業(yè)實地踏勘、設計，并布測了直徑 1 m的紙質(zhì)地面靶標。

外業(yè)飛行選擇在5月底，天氣晴朗，能見度高，風力較小，確保獲取的影像清晰度高，照片色彩均勻，飽和度良好，能夠真實地表達地物信息[5]。各型號無人機均飛行1個架次14條航線，飛行時長為 20 min左右。各無人機航攝技術(shù)參數(shù)如表1所示。

各無人機航攝技術(shù)參數(shù) 表1

航空攝影完成后，按照航測作業(yè)流程進行項目生產(chǎn)：原始數(shù)據(jù)導入(照片、POS數(shù)據(jù)及控制點坐標)-數(shù)據(jù)整理-像控刺點-自動空三解算-點云加密-三維立體模型重建，數(shù)據(jù)處理完成后將模型導入EPS2012平臺中提取出線劃圖，作為成果精度評定的主要源數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析與評定

數(shù)據(jù)分析評定主要涉及兩方面，一是分析三維模型成果的表觀質(zhì)量，主要查看其色彩、紋理效果，特別是核查可能出現(xiàn)紋理漏洞的地方；二是評定基于傾斜數(shù)據(jù)采集的線劃圖的數(shù)學質(zhì)量，選取圖中明顯地物、地形特征點作為被檢測點，與全站儀采集的實測坐標或高程進行比對。

3.1 表觀質(zhì)量對比

通過模型的色彩、紋理對比發(fā)現(xiàn)：各三維模型產(chǎn)品成像清晰，無污點；色彩、紋理表觀質(zhì)量差異不大，只有1個成果紋理效果稍差，主要原因是航飛時接近中午，光照過強。

3.2 空三加密精度情況

本次各型號無人機成果的地面分辨率、重疊度、航飛質(zhì)量以及控制點選取差別不大，因此，空三加密精度相差無幾。

各成果的區(qū)域網(wǎng)空三誤差在0.114～0.125像素之間，控制點誤差在X、Y、Z方向的值均在 5 mm～10 mm，沒有明顯差距。

3.3 成果精度評定與分析

為確定成果數(shù)學精度，采集三維模型中紋理清晰的特征點進行平面精度評定，選取局部高程變化小的點狀要素或路面進行高程精度評定。

試驗分別選取了具有代表性、分布均勻的57個平面檢核點，34個高程檢核點進行精度統(tǒng)計分析。具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2、表3所示：

平面精度統(tǒng)計表 表2

高程精度統(tǒng)計表 表3

從表2可以看出：平面中誤差最大的是B型號無人機，平面中誤差為 ±0.18 m，均滿足規(guī)范關(guān)于 1∶500地形圖平面點位中誤差不大于 ±0.25 m的要求；

從表3可以看出：高程中誤差最大的是B型號無人機，高程中誤差為 ±0.13 m，均滿足規(guī)范關(guān)于 1∶500地形圖高程中誤差不大于 ±0.15 m的要求。

圖1平面點位較差對比分析圖

從圖1可以看出：D型號無人機25號點存在粗差，其他點較差大小分布比較集中，C型號無人機誤差分布相對集中，精度最優(yōu)，A型號18號點誤差較大，其他點差別不大，B型號無人機平面誤差離散性分布較強。經(jīng)分析：D型號無人機25號粗差原因是受建筑物陰影影響所致；A型號無人機18號點誤差較大主要是內(nèi)業(yè)立體采集量測時的切測誤差造成的，多次、多人采集證明，該點點位較差 0.31 m，差值仍稍顯大，可能還有其他誤差因素摻雜其中。

從圖2可以看出：個別機型個別高程點存在粗差，粗差比例不超限；D型號、A型號無人機誤差分布較集中，精度較好，B、C兩種型號的高程較差起伏變化較大，分布均比較離散，高程中誤差也很接近。

圖2高程較差對比分析圖

無人機航攝測量自帶的非量測型相機，像幅小、基高比小，從而影響高程精度；飛行質(zhì)量(如航行高度、航向及旁向重疊度、航帶彎曲度、像片旋偏角等)和影像質(zhì)量(如清晰度、分辨率、層次、色調(diào)等)等也會影響精度。

對各型號參數(shù)綜合分析，D型號無人機的飛行高度低、鏡頭焦距長、重疊度高，所以精度優(yōu)；A型號正攝鏡頭焦距為 25 mm，與D型號焦距 35 mm相比較小，對航測精度有影響；B型號無人機飛行高度低，但鏡頭焦距較短，成像精度不太高；C型號無人機為了追求效率，飛行高度較高，但地面分辨率較低，對提高精度不利。

通過以上數(shù)據(jù)分析表明：4種不同型號的旋翼無人機高程和平面誤差均滿足城市測量規(guī)范 1∶500地形圖精度要求，驗證了低空旋翼無人機傾斜攝影技術(shù)可以用于 1∶500大比例尺地形圖測制。為了獲得高精度航飛成果，建議綜合考慮無人機設備技術(shù)參數(shù)，像控點布設采用預設靶標可較好保障成果精度。

4 結(jié) 語

本文以某園區(qū)為試驗區(qū)，采用不同型號的旋翼無人機以傾斜攝影測量技術(shù)生成線劃圖，通過對成果的數(shù)學精度分析評定，驗證了無人機航空攝影測量技術(shù)用于 1∶500大比例尺地形圖的可行性。

本次選擇的測區(qū)為小范圍平坦廠區(qū)，對于地形起伏較大區(qū)域的 1∶500大比例尺測圖精度能否滿足要求，還有待進一步的驗證和研究。