無人機(jī)航測精度的影響因素初探

余運(yùn)濤

摘 要：隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，我國攝影測量技術(shù)得到了大幅提高。鑒于無人機(jī)輕型化、便捷化和智能化的特點，無人機(jī)航測在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取以及小區(qū)域地形測量方面具有高效、直觀等顯著優(yōu)勢。本文著重分析了無人機(jī)航測精度影響因素，采取有效措施來減少對測量精度的影響，提高測量精度及效率。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);航測外業(yè);航測精度

無人機(jī)航測遙感技術(shù)是無人機(jī)遙感技術(shù)與為衛(wèi)星遙感系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物，此技術(shù)在工程測量中具有非常重要的作用，尤其在城市測量中效果明顯。它采用低空飛行測量，受限因素少且精度高、應(yīng)用靈活、費(fèi)用低、設(shè)備簡單，卻能得到相對精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1 無人機(jī)簡介

無人機(jī)航測是指通過遙控或者遠(yuǎn)程控制的小型無人機(jī)進(jìn)行攝影測量和遙感。隨著近年來無人機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，無人機(jī)越來越廣泛的應(yīng)用在航測、攝影、巡檢等多個領(lǐng)域，極大的增強(qiáng)了工作效率，為社會提供了新的系統(tǒng)解決方式。因此，航測也是隨著低空無人機(jī)發(fā)展興起的一門學(xué)科，叫遙感科學(xué)。即通過攝像和定位技術(shù)對我們所處的物理世界進(jìn)行非接觸式時空定位。簡單說就是利用無人機(jī)對地面地形和相關(guān)的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行精確的定位和建模。所以在航測過程中，精度的控制影響著最后成像的效果，好的成像和測量數(shù)據(jù)能夠有效的指導(dǎo)實際的工作，接下來我們將討論影響航測精度的因素。

2 無人機(jī)航測系統(tǒng)

無人機(jī)航測系統(tǒng)由無人機(jī)載體、飛行控制系統(tǒng)、影像獲取設(shè)備、數(shù)傳系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、地面接收終端、數(shù)字?jǐn)z影測量工作站和地面遙控裝置組成。在數(shù)據(jù)采集階段影像曝光的瞬間，飛行控制系統(tǒng)采集了像主點曝光瞬間的位置信息、姿態(tài)信息、影像參數(shù)等;將這些信息通過數(shù)傳系統(tǒng)和圖傳系統(tǒng)傳輸給地面設(shè)備;飛行完成后利用影像數(shù)據(jù)預(yù)處理檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，對不符合要求的數(shù)據(jù)實施補(bǔ)飛或重飛。

3 無人機(jī)航測精度影響因素

3.1 像控點布設(shè)影響

像控點是根據(jù)無人機(jī)測量控制點加密情況和測圖需要布置的，測量的控制點有平面坐標(biāo)、高程坐標(biāo)，這些控制點稱為像片控制點，而控制點的布設(shè)是根據(jù)成圖精度以及像片條件而設(shè)定的。像控點的數(shù)量及分布情況對成圖的精度有著較大的影響，需要制定合適且合理的布點方案。在實際布設(shè)像控點過程中考慮精度及《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》的相關(guān)要求，宜選點位大致相等區(qū)域且點位清晰，距離不宜過長，容易分辨即可。實際操作中，可以采用實地鋪設(shè)標(biāo)靶點的方式進(jìn)行，也可以采用實地選刺點的方式進(jìn)行。像控布點可以采用區(qū)域網(wǎng)布點、根據(jù)需要也可以采用航線網(wǎng)或全野外布點的方式進(jìn)行。

3.2 像控點測量影響

準(zhǔn)確測量像片控制點的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)是提高成圖精度的關(guān)鍵措施之一。像片控制點的測量一般采用GNSS技術(shù)，包括GNSS靜態(tài)測量、GNSS RTK測量等。目前多采用網(wǎng)絡(luò)RTK或CORS系統(tǒng)，以及千尋系統(tǒng)去進(jìn)行像控點的測量。測量標(biāo)準(zhǔn)參照《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》的要求執(zhí)行。

3.3 硬件系統(tǒng)

無人機(jī)硬件是航測系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件，無人機(jī)的穩(wěn)定性、持續(xù)性都是影響航測精度的因素。不同的無人機(jī)類型各項指標(biāo)上也有所不同，固定翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)的巡航速度為每秒20—30m;旋翼無人機(jī)的巡航速度為每秒6—15m。無人機(jī)巡航速度的不同，會影響巡航中的攝像清晰度和成像質(zhì)量，巡航速度越快，偏移量越大，因此對精度的影響也就越大。電池續(xù)航無人機(jī)續(xù)航普遍在半小時至2個小時，內(nèi)燃機(jī)續(xù)航無人機(jī)續(xù)航可以到四個小時，另外還有一種直電的無人機(jī)，主要用來執(zhí)行較大設(shè)備的持續(xù)拍攝或者監(jiān)控。無人機(jī)的續(xù)航主要影響航測的工作效率。航測系統(tǒng)中另一個重要的硬件系統(tǒng)就是攝像系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)主要搭載微單相機(jī)及相應(yīng)的鏡頭，對于精度要求比較高的航測，會搭載傳感器或可以直接測量距離的設(shè)備。相機(jī)的鏡頭、曝光速度等都是影響航測精度的重要因素，但是曝光等操作也需要和無人機(jī)的巡航速度進(jìn)行協(xié)同考慮。

3.4 飛行高度影響

無人機(jī)飛行高度是影響測圖質(zhì)量的重要因素之一，飛行高度會影響航片像素的大?。℅SD），飛行高度變化也會影響拍攝照片的圖幅大小，像片合成時的重疊率。飛行高度越低，（GSD）數(shù)值就越小，相對精度就越高，反之，飛行高度越高，（GSD）數(shù)值越大，相對精度也越低。因此在實際外業(yè)測量時，根據(jù)地勢、地形選取合理飛行高度，同時考慮飛機(jī)的飛行安全避免撞到高的建筑物或者樹木。

4 如何控制低空無人機(jī)航測精度

4.1 提高數(shù)據(jù)采集精度的經(jīng)驗性做法

無人機(jī)航測的精度取決于很多方面。在外業(yè)采集過程中，選擇較好的天氣、做好相機(jī)的調(diào)校尤為重要。

4.2 硬件系統(tǒng)的配合

無人機(jī)巡航速度的選擇，低空無人機(jī)的速度越大，震動越大，對航測精度的影響也就越大，但是在實際的操作過程中，最重要的是巡航的安全，所以巡航速度需控制在最安全的巡航速度，而不是越小越好，然后通過提高快門速度來降低在巡航中震動以及便宜的影響。實際航測過程中， 盡量選擇快門速度大于1/1000秒，以減少低空無人機(jī)震動帶來的影響及因為巡航速度帶來的位移偏差。另外，快門速度也需根據(jù)實際航測時地面的分辨率進(jìn)行調(diào)整，如果地面分辨率在0.05米，巡航速度在25米每秒，這時需選擇1/1000的快門速度，其余的要根據(jù)實際情況進(jìn)行測算。

4.3 減小投影誤差增強(qiáng)航片幾何屬性

航攝相片為地面景物的中心投影構(gòu)像，而地圖是地面景物的正射投影，當(dāng)?shù)孛婧拖嗥鶉?yán)格水平時，兩種投影結(jié)果是等效的;但地球表面起伏將引起像點位移，無人機(jī)平臺飛行過程中的波動會引起相片傾斜。因此，盡量選擇晴朗無風(fēng)的天氣條件進(jìn)行航拍，以增強(qiáng)相片的判讀性和保證飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，從而提高相片坐標(biāo)系下的像素點平面精度;在高差大于1/4相對航高的測區(qū)需分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計，以減少由投影參考面變化造成的投影誤差。

4.4 提升軟件的運(yùn)算能力和定位精確度

系統(tǒng)建模主要依靠系統(tǒng)的運(yùn)算能力及系統(tǒng)內(nèi)置的GPS準(zhǔn)確度來控制， GPS越精確，能夠給予無人機(jī)更好的自定位，由此進(jìn)行的三角測量定位能夠更加準(zhǔn)確，然后通過快速準(zhǔn)確的運(yùn)算計算出拍攝圖片的每個點的位置和距離，增加航測精度。目前GPS對于空間高度的感知存在一定的技術(shù)難度，技術(shù)成熟度遠(yuǎn)沒有平面GPS成熟，因此在無人機(jī)上增加遙感系統(tǒng)，或者紅外線測距儀等一系列的設(shè)備，也能增加航測的精確度。

4.5 像控點布設(shè)及測量優(yōu)化提高平差精度

空中三角測量是基于地面像控點坐標(biāo)，利用后方交會原理計算得到相片的內(nèi)方位元素和外方位元素;再基于立體像對中的內(nèi)外方位元素和像點坐標(biāo)，利用前方交會原理計算得到對應(yīng)的地面坐標(biāo)。同時，需要采用復(fù)合要求的測量儀器運(yùn)用正確的測量方法獲取高精度的像控點坐標(biāo)成果。

綜上所述，無人機(jī)的興起，使得低成本的航測成為可能。無人機(jī)操作簡單，容易上手，起飛降落沒有大的限制性條件，成本也是遙感測量中最低的。對于航測，最重要的是精度的控制，無人機(jī)的硬件系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等以及系統(tǒng)的建模和定位能力，都是影響航測精度的主要因素。因此要著重分析低空無人機(jī)航測精度的控制。

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