DJI精靈4RTK免像控的誤差較大原因及分析

趙衛(wèi)國 龐震

摘要：DJI 精靈4RTK是2018年8月發(fā)布的DJI邁向測(cè)繪行業(yè)的第一款專業(yè)設(shè)備，由于低廉的價(jià)格，在測(cè)繪無人機(jī)行業(yè)極大的降低了航空攝影測(cè)量門檻，又由于完善的維修服務(wù)方式，徹底改變了原無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)高價(jià)，維修成本高的現(xiàn)狀，為推動(dòng)航空攝影測(cè)量做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，通過我公司近四年的使用，我們發(fā)現(xiàn)，該無人機(jī)設(shè)備在實(shí)際使用過程中，其精度無法滿足免像控。

關(guān)鍵詞：DJI 精靈4RTK;免像控

引言

在航空攝影測(cè)量的眾多產(chǎn)品中，我們會(huì)常見對(duì)地面分辨率及航高的對(duì)應(yīng)表達(dá)，來描述無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)的精度。

1無人機(jī)地面分辨率在精度上的影響因素

1.1相機(jī)分辨率及航高對(duì)精度的影響

影響航測(cè)相機(jī)的采集精度的主要因素為：畸變與測(cè)量方式。

畸變只能盡可能縮小，不存在完全消除，常見的評(píng)定方式為畸變不超過3%，我們就可以認(rèn)為是已經(jīng)滿足航測(cè)軟件的要求。

而測(cè)量方式的影響，一般都是基于假設(shè)兩張相鄰相片的采集都是按照正直攝投影的方式進(jìn)行采集，那么就可以依據(jù)正直攝影的如下公式：

根據(jù)如上的誤差公式，其中 量測(cè)誤差， 為因數(shù)。如果量測(cè)誤差為常數(shù)，我們不難看出，像點(diǎn)的量測(cè)誤差為某一常數(shù)，而 與目標(biāo)點(diǎn)同名光線間的夾角有關(guān)，基高比越大，精度越高， 是目標(biāo)點(diǎn)的成像比例尺分母，即相機(jī)焦距越大，目標(biāo)點(diǎn)越近，精度越高。以此我們可以得出，如果相同高度想要獲取理想得精度，可以通過的方式有如下方式

1、提高相機(jī)的傳感器尺寸（也就是攝影常講的底大一級(jí)壓死人）

2、降低飛行高度，提高分辨率

3、提高鏡頭焦距大小，

而Dji 精靈4RTK作為一款商用的設(shè)備，其中鏡頭是定焦8.8mm/24mm（35mm格式等效）鏡頭，傳感器尺寸為1英寸，也就是說，如果想提高精度，我們只能在航高上做文章，但是實(shí)際應(yīng)用中，航高變化直接影響著效率，我們只能根據(jù)自己所要的精度，在效率與精度之間做最優(yōu)的考慮。

咱們現(xiàn)在來以像片的中心點(diǎn)來驗(yàn)證以上公式，兩張像片航高固定，也即是物距為一個(gè)常數(shù)，其中：

這就是120航高航測(cè)采集圖像數(shù)據(jù)中，像點(diǎn)的空間解析精度。

2、機(jī)載GPS的精度

Dji精靈4 RTK 采用的GPS的標(biāo)稱精度為平面1cm 1ppm ，高程1.5cm 1ppm。

3、Dji精靈4 RTK總體精度

基于分辨率精度以及GPS精度，我們基本上采用像點(diǎn)的空間解析精度，平面誤差為2倍的分辨率，高程誤差是3倍的分辨率。

我們由于主要工作對(duì)象是工程測(cè)量，基于效率和精度之間的取舍，對(duì)于高程精度的要求是小于10cm，那么比較合理的航高也就是120米以內(nèi)（Dji顯示為分辨率為3.29cm/pixel）。

4、實(shí)測(cè)驗(yàn)證

知道了各種誤差分析，那么我們需要對(duì)Dji精靈4 RTK在實(shí)際使用中的精度情況進(jìn)行評(píng)測(cè)，這個(gè)評(píng)測(cè)由于使用的是現(xiàn)實(shí)環(huán)境，考慮的實(shí)驗(yàn)方法必須簡(jiǎn)單，成果的可重復(fù)性一定要經(jīng)得起驗(yàn)證。

我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)的方法：

1、場(chǎng)地及天氣因素

我們選擇有起伏，比如小居民點(diǎn)，房屋等戶外建筑具有明顯的線性特征。

天氣選擇陰天，風(fēng)向變化較小。模擬實(shí)測(cè)環(huán)境，天氣變化對(duì)結(jié)果的影響較小。

2、飛行規(guī)劃

既然具備高精度的GPS來采集主像位的數(shù)據(jù)成果，那么我們可以先假定，任何兩次數(shù)據(jù)采集，同一場(chǎng)地的數(shù)據(jù)，應(yīng)該具有一致性。

規(guī)劃航線按照如下兩個(gè)任務(wù)完成：

a.正南正北的航線規(guī)劃

b.正東正西的航線規(guī)劃

c.為驗(yàn)證GPS RTK的可靠性，我們同時(shí)采用千尋CORS的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備本身的PPK解算做對(duì)比。

d.航測(cè)區(qū)域的大小，選擇一塊電池可以完成的小區(qū)域進(jìn)行

e. 相機(jī)焦距按照快門優(yōu)先，光線變化很小的情況下，拉至無窮遠(yuǎn)端。

經(jīng)過測(cè)試，我們先把可以認(rèn)同的誤差原因項(xiàng)進(jìn)行合并分析，在2架次的飛行數(shù)據(jù)解算中，天氣環(huán)境影響差異很小，GPS RTK與PPK 解算數(shù)據(jù)差異很小，地面分辨率差異很小，相機(jī)焦距按照快門優(yōu)先，光線變化很小的情況下，拉至無窮遠(yuǎn)端，相機(jī)的影響因素也可以忽略，也就是去掉各種外在的影響，現(xiàn)在2個(gè)架次任務(wù)之間的外在影響均不需考慮，只需要考慮設(shè)備本身內(nèi)在的各種誤差了。那么重點(diǎn)來了，這兩個(gè)架次數(shù)據(jù)經(jīng)過同一軟件的處理，同一點(diǎn)位的空間解析數(shù)據(jù)相互之間是否存在差異，設(shè)備的自洽能力，就成了主要因素。

采用軟件為PIX4D，用時(shí)幾乎相當(dāng)，飛行中航向及旁向重疊率均考慮按照75%來考慮，像片數(shù)量略有差異，但對(duì)解算時(shí)長(zhǎng)來說，差異不大！

所有解算結(jié)果加入該區(qū)域的七參數(shù)，以確保兩個(gè)架次得到的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系數(shù)據(jù)，都能真實(shí)準(zhǔn)確的反映出實(shí)際飛行中采集POS數(shù)據(jù)。

解算出點(diǎn)云數(shù)據(jù)（*.Las），將las數(shù)據(jù)導(dǎo)入緯地道路設(shè)計(jì)軟件，建立地面數(shù)據(jù)模型，根據(jù)劃定的道路中線，提取不同的縱斷面、橫斷面數(shù)據(jù)作為對(duì)比。

同一道路，基于不同架次飛行采集的數(shù)據(jù)，提取的縱斷面數(shù)據(jù)從30-60cm，無明顯規(guī)律。

該數(shù)據(jù)對(duì)比反映出，同一位置，不同架次，數(shù)據(jù)之間，不具備重復(fù)性，因而，我們判定Dji精靈4 RTK，在120米航高的情況下，無法滿足免像控的要求。

原因分析

1、相機(jī)畸變參數(shù)的影響

相機(jī)畸變的影響只能減小不可能消除，基本各種軟件對(duì)畸變參數(shù)的要求，基本上都在3%以內(nèi)，可以認(rèn)同為相機(jī)畸變參數(shù)正常。該參數(shù)伴隨著使用環(huán)境，氣候，光線變化，景深等，都具有可變性，單純理解靠修改畸變參數(shù)解決Dji精靈4 RTK精度問題，是不具備現(xiàn)實(shí)意義的方法。

2、GPS RTK 精度的影響

DJI宣稱毫秒級(jí)快門，那么就只剩下機(jī)載的GPS設(shè)備誤差這一原因啦！

但是要證明這個(gè)設(shè)備的GPS有問題，我們嘗試了很多辦法，譬如：

1、設(shè)置旋轉(zhuǎn)圓盤，讓無人機(jī)相機(jī)垂直向下，旋轉(zhuǎn)中心與相機(jī)的鏡頭中心一致，來定時(shí)拍攝，存取GPS數(shù)據(jù)以檢查其位移，但是空中姿態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有這樣平穩(wěn)，而且振動(dòng)也不在一個(gè)層級(jí)上，所以以失敗告終。

2、想通過在鏡頭信號(hào)線端與GPS數(shù)據(jù)采集端之間，安裝邏輯分析儀，以確定拍照時(shí)刻，兩者的同步性，由于飛機(jī)形體太小，內(nèi)部空間有限，無法將這些設(shè)備攜帶到空中，也告以失敗。我們發(fā)現(xiàn)，造成這一原因的結(jié)果只有一個(gè)，那就是Dji精靈4 RTK的GPS設(shè)備，在空中姿態(tài)下的數(shù)據(jù)采集存在問題。

該檢測(cè)的主要思路延續(xù)了上面詳述的檢測(cè)方式，就是同一設(shè)備，在幾乎同等的條件下，南北向規(guī)劃航線采集的影像數(shù)據(jù)與東西向規(guī)劃航線采集的數(shù)據(jù)應(yīng)具有一致性，也就是首先需要達(dá)成的是設(shè)備能自圓其說，然后才具備精度一致性。

所以，我們公司的結(jié)論是：如果咱們把免像控的精度對(duì)應(yīng)到，實(shí)際平面坐標(biāo)在5cm，高程在10cm的具體數(shù)值上，那么可以肯定的說，DJI 精靈4 RTK 是無法滿足免像控條件的。

（以上結(jié)論均有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持，如有需要請(qǐng)聯(lián)系：928925819@qq.com）

參考文獻(xiàn)

[1] 張劍清 潘勵(lì) 王樹根. 攝影測(cè)量學(xué) （第二版）作者：張劍清潘勵(lì)王樹根，出版社：武漢大學(xué)出版社， ISBN：9787307069558

3385500589259