無人機航攝大比例尺地形圖精度分析及優(yōu)化措施

王海濤，耿守民，李 銳，柴文博

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018）

隨著無人機低空攝影技術的不斷發(fā)展和成熟，無人機航攝業(yè)務在實際生產中得到廣泛應用。無人機低空攝影測量技術不僅應用于小比例尺地形圖的測繪，還被應用于大比例尺地形圖的測繪中。采用華鷂P310 無人機、大疆悟2 和精靈4 小型無人機先后完成了《神木縣散岔水庫工程可行性研究項目》1/1000地形圖測量、《渭南市生態(tài)公園右岸水系擴大及景觀提升工程項目》1/500 地形圖測量、《神木市活雞兔溝中雞鎮(zhèn)段防洪工程初步設計測量項目》1/1000 地形圖測量、《鳳翔縣后河水庫工程可行性研究報告測量項目》1/1000 地形圖測量等多個測繪項目，本文結合已完成項目的具體情況來進行無人機航攝大比例尺地形圖的精度分析及優(yōu)化措施。

1 低空攝影飛行設備

1.1 華鷂P310 型無人機

該飛機屬于混合翼無人機，可以垂直起降，目前主要用于正射影像測量，每架次飛行可完成1/1000 比例尺6 km2～8 km2航攝任務，每天可完成2～3 架次，適用于大面積航攝任務，其后期數(shù)據(jù)處理是通過工作站進行數(shù)據(jù)采集，內業(yè)采集技術性強，對采集人員業(yè)務要求高，對電腦配置也有一定要求。

1.2 大疆悟2、精靈4 系列無人機

大疆系列無人機體型小，攜帶方便，適合小面積航攝任務，目前主要用于傾斜攝影測量，全天作業(yè)可完成航攝任務如下：精靈4 可飛1/1000 比例尺地形圖1.8 km2～2.2 km2，悟2 飛1/1000 比例尺地形圖1.6 km2～2.0 km2。后期通過smart 3D 軟件生成三維模型和正射影像，在三維模型上進行數(shù)據(jù)采集，正射影像上進行地物繪制，采集過程相對簡單，對作業(yè)人員技術要求較低，外業(yè)人員都可以直接上手作業(yè)。smart 3D 軟件建模同樣對電腦配置有一定的要求。

綜合比較以上兩個系列無人機的作業(yè)模式，在作業(yè)效率方面各有千秋。華鷂P310 型無人機外業(yè)航攝效率高，能滿足大面積任務航攝，但內業(yè)處理對人員、對設備要求高，想提高工作效率，有瓶頸限制；大疆系列無人機低空攝影測量外業(yè)效率低，只能滿足小面積航攝任務，建議3 km2以下使用才會有較高經(jīng)濟效率，內業(yè)建模對電腦配置要求高，內業(yè)采集簡單易上手。

2 無人機航攝大比例尺地形圖精度的分析

影響航攝大比例尺地形圖精度的因素主要來源于航片的畸變誤差，像控點布設及測量誤差，空三解算時的刺點誤差，內業(yè)人員數(shù)據(jù)采集時由于人眼觀測精度影響產生的“人差”，以及外業(yè)飛行質量引起的飛行pos 數(shù)據(jù)誤差和影像誤差。

2.1 華鷂P310 型無人機進行航攝大比例尺地形圖精度分析

（1）神木市活雞兔溝中雞鎮(zhèn)段防洪工程初步設計測量項目采用華鷂P310 型無人機進行航攝。該測區(qū)位于神木市活雞兔溝中雞鎮(zhèn)，測區(qū)多為煤礦開采區(qū)，地形極為破碎，河道有常流水。成圖比例尺為1/1000，航攝分辨率為6 cm，飛行航高465 m，成圖面積為1.5 km2，布設像控點30 個。外業(yè)采集精度檢測點42 個，通過比較計算得地形圖測繪平面中誤差為±0.17 m，高程中誤差為±0.14 m。

（2）渭南市生態(tài)公園右岸水系擴大及景觀提升工程測量采用無人機航攝完成1/500 地形圖測繪，航攝分辨率為4 cm，飛行航高310 m，成圖面積為3.9 km2，布設像控點56 個。外業(yè)采集精度檢測點29 個，通過比較計算得地形圖測繪平面中誤差為±0.10m，高程中誤差為±0.11m。

2.2 大疆型無人機進行航攝大比例尺地形圖精度分析

（1）麟游縣馬家河水庫工程可研階段測量項目采用大疆悟2無人機進行航攝測繪。該項目位于麟游縣九成宮鎮(zhèn)馬勺灣村馬家河，測區(qū)屬于山地地形，溝壑山地錯綜復雜，高程為850 m～1150 m 之間，比高為300 m，施測時正值夏季，兩岸山坡樹林茂密，周邊耕地植被枝葉繁茂，布設像控點時對地表的植被進行清理，才可滿足上空空曠，實地地形和密實的植被嚴重限制了像控點的布設。成圖比例尺為1/1000，航攝分辨率為4.2 cm，飛行航高200 m，成圖面積為0.76 km2，布設像控點16 個。外業(yè)采集精度檢測點136 個，通過比較計算得地形圖測繪平面中誤差為±0.11 m，高程中誤差為±0.13 m。

（2）鳳翔縣后河水庫工程可行性研究報告測量項目航攝1/1000 地形圖，該測區(qū)屬山地地形，溝深240 多米，為保證溝底有足夠分辨率，對測區(qū)進行分塊飛行。成圖面積2.2 km2，平均分辨率6 cm，飛行航高272 m，布設像控點20 個，外業(yè)采集精度檢測點191 個，通過比較計算得地形圖測繪平面中誤差為±0.34 m，高程中誤差為±0.21 m。

分析總結以上四個具體實例，得出以下統(tǒng)計，見表1。

表1 不同項目低空攝影測量精度統(tǒng)計情況

在《低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010 中明確規(guī)定了低空攝影測量數(shù)字線畫圖（B 類）、數(shù)字正射影像圖（B 類）的地物點對附近野外控制點的平面位置中誤差和高程中誤差，具體限差見表2。

表2 平面位置中誤差和高程中誤差最小限差統(tǒng)計

結合表1 和表2 綜合分析，無論是采用航攝正射影像還是采用傾斜攝影建模進行大比例尺地形圖測繪，都能滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010 中對無人機低空攝影測量平面和高程的限差要求。

3 無人機航攝大比例尺地形圖精度優(yōu)化措施

（1）盡量做到先像控后攝影，提高像控點精度。

像控點精度直接影響測圖精度。像控點的精度一般包含兩個方面，一是像控點的測量精度，二是像控點影像目標精度。前者誤差主要來源于像控點測量，目前采用GPS-RTK 技術測量精度相對較高；后者主要是像控點布設大小及地表影像紋理的豐富程度，隨著不同地形情況其精度影響有所不同，為了控制像控點影像目標精度，建議將像控點目標寬度選擇在1～2 個最小分辨率，才能保證目標的清晰。

（2）定期檢測相機，提高畸變參數(shù)精度。

無人機航攝采用的是非量測相機，影像畸變相對較大，且不穩(wěn)定，建議牢固固定相機鏡頭，使其左右、前后不晃動，不伸縮，其次還有定期檢校相機畸變參數(shù)，保證畸變參數(shù)精度。

（3）優(yōu)化相機航攝參數(shù)，提高影像清晰度。

影像清晰度受飛機飛行速度、相機快門速度、光圈值和感光度、天氣等因素影響，選擇天氣條件好的時間段設置合適的相機參數(shù)進行航攝。以索尼A7R2 型號的相機為例，在拍攝時照片的光圈值處于5～8 之間，照片質量相對較好，圖像色彩信息比較豐富。

（4）及時更新升級空三加密軟件，提高影像匹配質量。

新版本的空三加密處理軟件其算法會更加合理，使影像匹配質量能進一步提高。

（5）工程設計直接基于三維模型，避免成果精度流失。

目前無人機傾斜攝影測量主要通過建立真實三維模型，然后在三維模型上用其他采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，最后再編輯生成線劃圖供設計人員使用。這樣的作業(yè)方式不但程序復雜，容易讓測繪成果精度流失，而且測繪成果呈現(xiàn)不夠直觀明了，沒有充分發(fā)揮三維模型的作用?；谶@種實際情況，建議將生成的三維模型直接提供設計人員，設計人員在三維模型上進行設計，這樣既避免了航攝成果精度的流失，又使設計成果更加直觀。三維模型上具有真實的坐標和高程，在其上直接進行工程設計，可以直接計算工程量。

4 結語

結合華鷂P310 無人機、大疆悟2 和精靈4 小型無人機在具體項目中的應用情況，分析不同類型無人機低空攝影技術在大比例尺地形圖測繪中的精度情況，經(jīng)分析各類型無人機在大比尺測繪中精度均滿足規(guī)范要求。根據(jù)實踐經(jīng)驗，總結出提高和保障大比尺地形圖精度的措施，為無人機在大比尺地圖的測量提供參考。