水土保持無人機遙測成果數(shù)據(jù)精度檢測

常 誠，李月寧

（水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

1 水土保持無人機應用概述

無人機遙測是松遼流域應用無人機技術(shù)充實水土保持工作成果的專有名詞，是指利用無人機設備在允許空域內(nèi)完成對地物的低角度連續(xù)性數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)拼接軟件生成帶有地理信息屬性成果數(shù)據(jù)的過程。將無人機遙測系統(tǒng)應用到水土保持工作領域，對松遼流域水土保持監(jiān)督性監(jiān)測、水土流失趨勢預測、小范圍高精度測繪及遙測影像圖斑精細化均起到技術(shù)示范及推廣作用。

2 精度報告編制目的

由于行業(yè)應用的無人機遙測設備采用的傳感器屬于普通攝影器材，較之衛(wèi)星遙感測繪的傳惑器，存在更大的光學系統(tǒng)畸變誤差。另外，后期像控點的標定及成果數(shù)據(jù)量測的誤差，形成了影響無人機遙測成果數(shù)據(jù)與實際地物大小之間存在差異的主要因素。因此，為保證無人機遙測數(shù)據(jù)的實用性和準確率，采用針對水土保持關(guān)注的線狀、面狀及三維指標，提取無人機遙測成果數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)集合的方法，總結(jié)無人機遙測成果誤差范圍，為成果數(shù)據(jù)可靠性提供理論依據(jù)。

3 無人機遙測誤差來源

3.1 儀器誤差

無人機通常搭載采用傳統(tǒng)CCD或COMS感光元件的民用攝影設備或定制攝影器材，并非正方形及正交型感光單元，感光單元光學系統(tǒng)自身存在徑向畸變差和切向畸變差，此類光學畸變的存在使測量成果量化過程存在一定誤差，見圖1。

圖1 鏡頭畸變帶來的儀器誤差

3.2 特征點匹配不足

無人機航拍數(shù)據(jù)的航向及旁向影像拼接過程中，特征點匹配不足對成果數(shù)據(jù)的生產(chǎn)帶來一定誤差，可供匹配的特征點的多少會隨著地表信息不同而發(fā)生變化，當拍攝影像為明顯地物刺點，如建筑、樹木等棱角分明、影像反差較大的影像時，可提取足夠的特征點，當拍攝影像存在大面積水面、積雪等紋理重復率高或影像拍攝存在質(zhì)量問題時，將無法提取足夠的特征點，從而造成影像拼接錯誤導致的誤差。

3.3 外界因素

由于天氣狀況影響飛行器姿態(tài)和成像質(zhì)量所產(chǎn)生的誤差，以及云層厚度對GPS定位產(chǎn)生的定位誤差。

3.4 內(nèi)業(yè)誤差

成果輸出過程中，由于成果數(shù)據(jù)人工解譯鑒別能力、解譯標準不固定等因素帶來的內(nèi)業(yè)誤差。

4 遙測數(shù)據(jù)精度檢測

4.1 檢測指標

松遼流域水土保持無人機遙測成果數(shù)據(jù)后期量測，可分為線狀、面狀和三維數(shù)據(jù)的信息提取，三類數(shù)據(jù)涵蓋水土保持領域關(guān)注的全部指標數(shù)據(jù)（詳見表1）。為保證本精度檢測報告數(shù)據(jù)詳實，以傳統(tǒng)實地測量為基礎，對比多旋翼和固定翼兩種不同類型無人機設備，獲取相同指標下的無人機遙測數(shù)據(jù)，對表格中所有指標進行精度檢測，并匯總大數(shù)據(jù)分析無人機遙測數(shù)據(jù)精度范圍。

表1 無人機遙測數(shù)據(jù)精度檢測指標范圍

4.2 精度檢測方法

運用多旋翼和固定翼兩種類型無人機，分別對線狀、面狀及三維指標進行遙測，無人機設備參數(shù)設置，如相機分辨率、鏡頭焦距、飛行高度、航向及旁向重疊率及遙測時段一致。三種檢測要素分別選取5個不同規(guī)模的檢測指標，分別完成10次無人機遙測工作，并采用Pix4Dmapper專業(yè)無人機遙測數(shù)據(jù)處理軟件完成成果輸出，10次量測取均值記錄，最終，結(jié)合現(xiàn)場實際測量生成對照數(shù)據(jù)，計算對照數(shù)據(jù)的誤差量變化情況，說明無人機遙測成果誤差范圍。

4.3 指標對照

線狀指標分別獲取了某項目棄渣場擋墻長度信息、高度信息、臨時道路長度信息、寬度信息及農(nóng)發(fā)項目地埂植物帶長度信息，共計5組線狀指標長度數(shù)據(jù)，見表2。

面狀指標分別獲取了某生產(chǎn)建設項目拌合站面積信息、梁場面積信息、侵蝕溝治理工程治理面積信息、農(nóng)發(fā)項目水平梯田面積信息及封禁治理面積信息，共計5組面狀指標面積數(shù)據(jù)，見表3（多旋翼無人機無法完成超過0.5 km2以上面積的無人機遙測工作）。

表2 線狀信息誤差率m

表3 面狀信息誤差率km2

三維指標分別獲取了某生產(chǎn)建設項目1號、2號、3號棄渣場（均為平地棄渣）棄方量信息及4號、5號取土場（均為坡面取土場）取土方量信息，共計5組三維指標體積數(shù)據(jù)，見表4。

表4 三維信息誤差率 萬m2

4.4 對照結(jié)果分析

通過無人機遙測和實地量測數(shù)據(jù)對照，得出以下分析結(jié)果：

1）通過對水土保持監(jiān)測指標的量測，多旋翼及固定翼無人機輸出數(shù)據(jù)均小于實際發(fā)生的量。

產(chǎn)生這一誤差的原因主要是由于采用的低空攝影設備鏡頭的焦距為廣角，自身的徑向畸變差和切向畸變差為負值，為保證影像能夠重疊拼接，在鑲嵌融合過程中畸變矯正不足導致的誤差。

2）固定翼無人機輸出成果相比多旋翼無人機輸出成果更加接近實際測量數(shù)據(jù)。

由于固定翼無人機在低空攝影全過程中為自動航跡規(guī)劃，保證了航向重疊率和旁向重疊率固定不變，數(shù)據(jù)處理冗余度較低，成果輸出更穩(wěn)定。而多旋翼無人機采用手動操作，相鄰影像重疊率無法達到最佳標準，導致特征點匹配不足導致的誤差。

3）數(shù)據(jù)量越少，誤差越小。無人機所采集的GPS信息通常為米級設備，拍攝的單張影像誤差較大，連續(xù)拍攝導致誤差累計增多。

4）線狀指標和面狀指標提取后，成果數(shù)據(jù)誤差在8%以內(nèi)。

5）三維指標量測誤差需根據(jù)測量基準面判斷誤差情況。

選擇的1號和3號為平地棄渣，是為了減少漏掉棄方量，測量基準面容易勾繪，因此三維指標測量誤差較小，誤差率不超過10%。

其他編號棄渣場和取土場均為溝道或坡面擾動，由于缺少對原始地貌的掌握，無法準確勾繪測量基準面，或圈定擾動范圍生成的曲面會相對減少或增多一部取棄方量的計算。因此誤差值較大，誤差結(jié)果僅可作參考用。

5 遙測數(shù)據(jù)精度提高方法

5.1 采用高精度GPS

傳統(tǒng)GPS定位誤差通常為米級，數(shù)據(jù)獲取過程中，這種米級誤差存在于每張對地航拍照片中，成果數(shù)據(jù)影像覆蓋面積越大，影像存在的內(nèi)誤差越大，誤差形變越復雜。因此，建議采用更高精度的GPS定位系統(tǒng)或RTK，更加準確獲取無人機對地影像中心點坐標，以減少GPS偏移帶來的誤差。

5.2 增加像控點矯正

在無人機遙測數(shù)據(jù)獲取完成后，利用差分GPS建立地表特征地物坐標提取，用于校準無人機成果數(shù)據(jù)為絕對精度數(shù)據(jù)，降低由于傳統(tǒng)GPS誤差帶來的累計誤差。地面像控點設置數(shù)量與成果數(shù)據(jù)精度成對數(shù)函數(shù)增長關(guān)系（如圖2）。

圖2 像控點矯正無人機遙測成果數(shù)據(jù)精度關(guān)系圖

5.3 提高前期工作質(zhì)量

1）提高影像重疊率。在實地踏勘基礎上，以區(qū)域歷史遙感影像數(shù)據(jù)為輔助信息，掌握被遙測區(qū)域總體地形地貌、土地利用等基本情況，設計飛行航跡，重點設置飛行起降點、飛行高度、影像分辨率、影像重疊率和飛行架次。

航向相鄰影像重疊率不低于75%，旁向相鄰影像重疊率不低于65%。

2）剔除不參與特征點匹配的地物。為避免如大面積水面、沙地等低特征點及移動物體參與后期成果影像運算，應在數(shù)據(jù)處理前提前剔除此類地物，降低成果數(shù)據(jù)輸出過程冗余度、減少高程數(shù)據(jù)誤差及正射影像模糊的拉花效應和點云數(shù)據(jù)偏差等現(xiàn)象。

5.4 遙測數(shù)據(jù)處理軟件

目前無人機航測影像的屬性信息都存在儀器設備因素帶來的誤差，因此為了成果數(shù)據(jù)的準確、可用，選擇的無人機遙測數(shù)據(jù)處理軟件應具備影像獲取設備畸變數(shù)據(jù)庫及飛行軌跡讀取功能，可對航測影像屬性誤差進行過濾和矯正。雖然此類誤差并不能完全清除，但數(shù)據(jù)處理完成后，軟件自身生成的精度均能達到厘米級要求。

5.5 提高解譯標準

1）精細化解譯。無人機遙測數(shù)據(jù)正射影像的解譯需在1∶200比例尺以上解譯；成果數(shù)據(jù)解譯圖斑的勾繪應封閉，圖形應建立拓撲關(guān)系；圖斑邊界勾繪偏差不超過2個像元或2個柵格。

2）投影坐標統(tǒng)一。無人機遙測成果數(shù)據(jù)應與基礎底圖及解譯軟件設置的投影坐標一致。

6 結(jié)論

綜上所述，無人機遙測成果相比實際量測，存在一定程度的誤差，長度、面積等二維指標量測誤差可控制在8%以內(nèi)，三維指標量測時在不考慮基準面和原始地貌的基礎上誤差可控制在10%以內(nèi)。根據(jù)（SL592-2012）《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，水土保持遙感監(jiān)測調(diào)查中，按照圖像解譯質(zhì)量控制要求，圖像判對誤差需控制在10%以內(nèi)。因此，松遼流域無人機遙測成果誤差滿足水土保持工作要求。