淺談低空無人機(jī)測繪精度影響因子

朱閆霞 周玉雄

摘? 要：低空無人機(jī)測繪遙感相對(duì)大飛機(jī)測繪遙感來說具有低成本、高機(jī)動(dòng)、高時(shí)效、氣候影響小等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪中，特別是局部小范圍進(jìn)行基礎(chǔ)測繪時(shí)，以其先天的優(yōu)越性可以取代外業(yè)全數(shù)字化測圖和大飛機(jī)航空攝影測量，該文從對(duì)影響低空無人機(jī)測繪精度的航飛質(zhì)量和影像質(zhì)量的兩大因子分析，進(jìn)一步從硬件選型角度剖析了分別提高這兩大因子質(zhì)量的子因子，并對(duì)相機(jī)設(shè)置給出了建議，最后還對(duì)畸變差檢校做了初步研究，對(duì)重做畸變差檢校的條件做出了定量性地建議。

關(guān)鍵詞：低空無人機(jī)（UAV）? 攝影測量? 感光度? 畸變差

中圖分類號(hào)：P231 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（a）-0001-02

目前市場上部分無人機(jī)低空測繪遙感都難以達(dá)到預(yù)期的精度要求，特別是大比例尺基礎(chǔ)測繪項(xiàng)目。目前已有一些文獻(xiàn)資料從像控點(diǎn)的布設(shè)，專業(yè)處理軟件、技術(shù)手段等角度來試圖提高低空無人機(jī)測繪成果精度。該文從UAV的航飛質(zhì)量和獲取的影像質(zhì)量兩大因子分析，從而提出一些建議來提高UAV測繪產(chǎn)品精度。

1? 低空無人機(jī)測繪遙感設(shè)備的關(guān)鍵部分

低空無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)主要由飛機(jī)的機(jī)體、飛控系統(tǒng)、POS系統(tǒng)（通常是GPS+IMU）和航攝傳感器（即相機(jī)）4個(gè)部分組成。飛控系統(tǒng)包含飛機(jī)上自動(dòng)控制系統(tǒng)和地面站兩部分，主要保障飛機(jī)能按指令完成任務(wù)，保障飛機(jī)的可靠性和安全性。POS系統(tǒng)主要配合飛控系統(tǒng)，將飛機(jī)的位置和姿態(tài)信息及時(shí)傳遞給飛控系統(tǒng)，同時(shí)記錄（多采用內(nèi)插技術(shù)）相機(jī)曝光點(diǎn)的位置信息和姿態(tài)信息。從成本上考慮，低空無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)上的POS系統(tǒng)一般精度很低，對(duì)后面高精度數(shù)據(jù)處理幫助不大，因此該文將從飛機(jī)的機(jī)體和相機(jī)的選型兩個(gè)角度入手，闡述它們對(duì)測繪精度的影響。

2? 低空無人機(jī)測繪精度的主要影響因子

航飛質(zhì)量、影像質(zhì)量、外業(yè)像控點(diǎn)的密度和分布、內(nèi)業(yè)處理工藝是影響低空UAV測繪成果精度的主要因子。目前外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)已有專門指導(dǎo)規(guī)范，而內(nèi)業(yè)處理工藝也比較成熟，因此航飛質(zhì)量和影像質(zhì)量是目前市場上部分無人機(jī)測繪成果精度達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)的主要因素。

而航飛質(zhì)量主要是指影像重疊度、影像單位像素對(duì)應(yīng)地面分辨率、影像俯仰角、測滾角和旋偏角、航高一致性和測區(qū)覆蓋無漏洞性;影像質(zhì)量主要包括影像的清晰明暗度、影像的云層覆蓋率。

目前市場上的UAV在重疊度和測區(qū)覆蓋無漏洞性方面都采用提高航向和旁向重疊度的方式來飛行，地面分辨率方面采用設(shè)計(jì)飛行相對(duì)最高航高這一點(diǎn)來保證。影像質(zhì)量中的云層覆蓋率采用優(yōu)質(zhì)天氣狀況來規(guī)避。因此，難以保證的是傾角（包含俯仰角和測滾角）和旋偏角以及影像質(zhì)量中的清晰度。

2.1 無人機(jī)機(jī)體

目前市場上有多種無人機(jī)型號(hào)，主要分為兩大類：重量較輕的手拋型無人機(jī)和重量較重的滑跑或彈射的無人機(jī)。無人機(jī)機(jī)體在飛行過程中的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)是飛行姿態(tài)（俯仰角、測滾角和旋偏角）要控制在一定范圍之內(nèi)，通常俯仰角和測滾角要控制在5°范圍內(nèi)，最大不超過12°，而旋偏角要控制在15°范圍內(nèi)，最大不超過30°[1]，當(dāng)這些角度超出規(guī)范規(guī)定范圍時(shí)，則會(huì)造成因視角變化大而帶來的同名像點(diǎn)觀測不準(zhǔn)而引起的空三加密整體精度降低的問題。影響這些的一個(gè)最重要因素就是飛機(jī)機(jī)體的抗側(cè)面氣流性。從慣性定律來講，質(zhì)量大的物體慣性就大，但體積大的物體受氣流的面積就大，因此要想減小側(cè)面氣流對(duì)飛行姿態(tài)的影響，就要增大機(jī)體質(zhì)量，減小機(jī)體表面積（不含機(jī)翼），所以在要求高精度的后期測繪成果情況下，無人機(jī)選型時(shí)，盡可能地選擇機(jī)體受側(cè)面氣流影像小的機(jī)體，即機(jī)身小的機(jī)體，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)功率足夠的情況下，優(yōu)先選擇重量大的飛機(jī)。

2.2 無人機(jī)測繪遙感傳感器

相對(duì)無人機(jī)的機(jī)體來說，整個(gè)系統(tǒng)的傳感器，即普通單反相機(jī)，對(duì)測繪精度影響更大。相機(jī)主要由兩部分組成，即機(jī)身（包含電池）和鏡頭。機(jī)身和鏡頭兩者對(duì)測繪精度影響都很大。

2.2.1 相機(jī)機(jī)身感光器CCD

機(jī)身中最重要的CCD（部分相機(jī)是CMOS，該文后面部分將只寫CCD）和處理器。其中CCD最重要的3個(gè)參數(shù)是感光度、像素?cái)?shù)量和單個(gè)像素尺寸大小。單個(gè)像素尺寸大小越小，像素尺寸小的CCD像元之間，因制作工藝的問題，存在漏洞現(xiàn)象就越普遍，因此電流相互干擾就越大，噪點(diǎn)就越多，加上光線衍射現(xiàn)象，感光度會(huì)越差。在相同進(jìn)光量和相同感光度情況下，單個(gè)像元尺寸小的相機(jī)拍攝出來的影像會(huì)偏模糊。在相機(jī)單個(gè)像素尺寸大小確定的情況下，當(dāng)鏡頭（在此指定焦鏡頭）選定后，要獲取某個(gè)指定GSD（地面空間分辨率）的影像，則飛機(jī)的飛行的相對(duì)地面高度就確定了。飛機(jī)的相對(duì)地面高度由式（1）確定：

攝影比例尺=? ? ? ? ? （1）

攝影比例尺=? ?（2）

由式（2）可知：當(dāng)CCD幅寬確定（通常是由相機(jī)機(jī)身自身特性決定），則飛機(jī)相對(duì)地面高度越高，則單張影像對(duì)應(yīng)地面的幅寬就越寬，單張影像覆蓋地面面積就越大，整個(gè)測區(qū)可以拍攝更少的相片，可以減少測區(qū)相片數(shù)量，在外業(yè)像控點(diǎn)數(shù)相同條件下可以提高單位相片上的像控點(diǎn)數(shù)，間接效果是縮短了布點(diǎn)基線間隔。而CCD幅寬=CCD單個(gè)像素尺寸大小×CCD寬度方向像素?cái)?shù)量，因此，在像素尺寸不能太小的情況下（太小在現(xiàn)有工藝條件下容易產(chǎn)生噪點(diǎn)），要減少整個(gè)測區(qū)相片數(shù)量，則盡可能地用全幅相機(jī)（CCD尺寸為24mm×36mm）或中幅相機(jī)（CCD尺寸為36mm×48mm），前者代表有目前廣泛用于航測的佳能5D MarkII和尼康D800/810相機(jī)，后者的代表有飛思P65+。

大CCD幅寬還有助于提高航攝影像的基高比，基高比的定義見式（3）：

（3）

其中攝影基線L為飛機(jī)拍攝左右兩張影像時(shí)相機(jī)鏡頭所處各自位置的連線，當(dāng)飛行相對(duì)航高確定后，要提高基高比，只能增大攝影基線。

2.2.2 定焦鏡頭

與機(jī)身同樣重要的還有鏡頭。鏡頭上有幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)，分別是主距、最大光圈和畸變系數(shù)[3]。用于測繪遙感的相機(jī)鏡頭一個(gè)非常重要的特性就是定焦，拍攝過程中焦距不變，從著名的共線條件方程中可以看出后期數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是解求出感興趣目標(biāo)地物的空間三維坐X、Y、Z，而9個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)和Xs、Ys、Zs是中間要解求的元素（中間成果），后期數(shù)據(jù)處理中一般是通過空三加密的方式解求的。一般一個(gè)空三加密解算測區(qū)多采用同一款相機(jī)拍攝，在光束法平差中為減少未知數(shù)數(shù)量，并且要求像方坐標(biāo)為觀測值，因此相機(jī)鏡頭主距是不可變的，為定值，通常要求精確到微米級(jí)。

2.2.3 航拍時(shí)最佳光圈

通常一款鏡頭有它的最佳解析力，即鏡頭的分辨率，鏡頭分辨率較低時(shí)會(huì)影像會(huì)出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，即銳度低。

通常一款鏡頭的銳度處于光圈值兩端的最差，例如f/1.4和f/22的最差，中間值最好，但一般最大光圈值降低兩檔后的銳度接近或基本等同于最佳銳度，即最佳解析力。因此航攝時(shí)所用光圈最好不要用最大光圈，建議使用最大光圈減小兩檔后的光圈。

2.2.4 相機(jī)鏡頭的畸變

相機(jī)鏡頭的畸變，主要指相機(jī)鏡頭的光學(xué)畸變差，它是影響像點(diǎn)坐標(biāo)質(zhì)量的一項(xiàng)重要誤差。相機(jī)鏡頭的畸變主要分為徑向畸變差（Radial Distortion）和偏心畸變差（Decentering Distortion）兩種。

普通民用單反相機(jī)拍攝液晶顯示器上的標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)的影像，因此普通民用單反相機(jī)用于測繪，在所拍攝的航片實(shí)際使用過程中，必須要考慮其畸變，即通常需要對(duì)其鏡頭做去畸變改正。該項(xiàng)工作一般認(rèn)為可在無人機(jī)航攝前做，也可以在航攝后做，但筆者根據(jù)大量實(shí)際生產(chǎn)中光束法平差最終的像點(diǎn)觀測精度（如patb平差結(jié)果的sigma值）結(jié)果，建議航攝前檢校。

目前難以判斷的是相機(jī)拍攝多少架次或相隔多長時(shí)間需要重新檢校，筆者經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)研究發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)上一個(gè)項(xiàng)目中空三加密解算時(shí)平差收斂的sigma值（代表像點(diǎn)的觀測精度）的大小來判斷相機(jī)在這次航拍前是否要重做檢校，筆者實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是當(dāng)平差收斂的sigma值在1/2個(gè)像素左右，如佳能5D MarkII相機(jī)CCD像元大小為6.41個(gè)微米，當(dāng)像點(diǎn)觀測精度達(dá)到3左右時(shí)，表明當(dāng)前已知的畸變差系數(shù)同當(dāng)前相機(jī)鏡頭的狀態(tài)符合。當(dāng)平差收斂的sigma值超過2/3個(gè)像素但小于1個(gè)像素時(shí)，表明當(dāng)前已知的畸變差系數(shù)已經(jīng)開始同相機(jī)鏡頭狀況不符合了，需要重新檢校，如果不重新檢校，則需要多布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)，否則精度會(huì)偏低。當(dāng)sigma值超過1個(gè)像素，則當(dāng)前已知的畸變差系數(shù)完全不能滿足高精度的測繪需求，必須重新做畸變差檢校。

3? 結(jié)語

該文主要從低空無人機(jī)測繪設(shè)備系統(tǒng)方面分析了影響低空無人機(jī)測繪精度的因子，指出了無人機(jī)的機(jī)體的穩(wěn)定性和抗風(fēng)性對(duì)航攝影飛行質(zhì)量的影響比較大，無人機(jī)選型時(shí)建議選擇質(zhì)量大但機(jī)體的有效面積?。ú缓瑱C(jī)翼）的無人機(jī)。相機(jī)包括鏡頭對(duì)影像質(zhì)量影像比較大，從基高比和單位相片上的有效像控點(diǎn)數(shù)量比上看，大CCD（或CMOS）幅面的相機(jī)要優(yōu)于小幅面的相機(jī)，因此筆者建議優(yōu)先選擇全畫幅或中畫幅單方相機(jī)，優(yōu)先選擇高感光度效果號(hào)的相機(jī)。另外從相移補(bǔ)償上考慮，部分相機(jī)具有光學(xué)防抖功能，分機(jī)身防抖和鏡頭防抖兩種，優(yōu)先選擇帶有光學(xué)防抖功能相機(jī)。在鏡頭的選定上，建議選擇定焦大光圈相機(jī)。在設(shè)置上，從成像清晰度上考慮，同高感效果好的機(jī)身搭配時(shí)，可在最大光圈基礎(chǔ)上，降低兩檔光圈來設(shè)定。在室外光線比較強(qiáng)的情況下，可以使用最優(yōu)高感，即是不引入明顯噪點(diǎn)時(shí)的最大感光度。最后所有低空無人機(jī)測繪遙感相機(jī)都是非專業(yè)量測相機(jī)，鏡頭帶有明顯的畸變差，因此，在生產(chǎn)過程中必須做相機(jī)畸變檢校，筆者建議在航飛前做檢校，該文最后還給出了判斷何時(shí)應(yīng)該重做畸變檢校的一般判斷原則。

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