低空航測無人機(jī)測量誤差探討

胡昭勛

山東遙感地理信息有限公司 山東淄博 255000

目前，我國的主要無人機(jī)公司正朝著勘測和測量的方向不斷深入發(fā)展，航拍和測繪結(jié)合的無人機(jī)憑借他的高效運(yùn)轉(zhuǎn)、成本低、數(shù)據(jù)測量的精度高、適應(yīng)性好、作業(yè)時間較短的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的測繪行業(yè)中占領(lǐng)一席之地。這篇文章中將對低空航測無人機(jī)進(jìn)行深入分析和探索，將結(jié)果作為后續(xù)實(shí)際測繪中的重要依據(jù)。

1 無人機(jī)攝影基本原理

在航空技術(shù)領(lǐng)域不斷進(jìn)步下，航空攝像無人機(jī)是進(jìn)一步衍生而得到的新型測繪方式，航拍無人機(jī)的攝像主要是通過測定單張圖像的數(shù)據(jù)，運(yùn)用透視成像實(shí)現(xiàn)的，而立體的測繪圖像則是利用類似人眼的投影過程進(jìn)行幾何反轉(zhuǎn)，最后達(dá)到記錄的目的。航拍攝影的測繪主要分成內(nèi)業(yè)和外業(yè)。外業(yè)一般是指相片的控制點(diǎn)聯(lián)測。相片的控制點(diǎn)是在進(jìn)行航拍之前，在地上提前布置好的醒目記錄點(diǎn)，也可以將地面上某一個明顯的物體作為控制點(diǎn)。然后對其平面坐標(biāo)和絕對高程進(jìn)行測定；而內(nèi)業(yè)的測繪則包括了高機(jī)密性質(zhì)的布置測繪控制點(diǎn)。將整個圖像作為控制點(diǎn)的參照，通常使用空中三角的測繪形式，反推得出所需要的控制點(diǎn)，檢測它的平面坐標(biāo)和高程[1]。

2 低空航測無人機(jī)航測技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 有效的提高工作效率

通過無人機(jī)航測技術(shù)，首先可以全面監(jiān)測地形的真實(shí)情況，提高工作效率，以前測量一塊地形須耗費(fèi)大量的人力物力，使用無人機(jī)測量技術(shù)就可幾個人進(jìn)行簡單的操作就可以完成，雖說后期圖像處理比較麻煩，但是整體來說，無人機(jī)的航測把測繪技術(shù)帶上一個新高度，至于面臨的一些測量和后期處理的問題，就要無人機(jī)在硬件上進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)該把無人機(jī)技術(shù)和全自動測量儀技術(shù)相結(jié)合，就能在航測上得到很好的進(jìn)展。

2.2 監(jiān)測結(jié)果更加直觀化

傳統(tǒng)測量僅通過不同的數(shù)據(jù)用圖形表現(xiàn)出地形的各種形態(tài)，無人機(jī)航測就比較直觀，不僅能得到各種地形數(shù)據(jù)，還能夠用真實(shí)的圖像表現(xiàn)出來，這樣大大增強(qiáng)工作人員對地形的分析能力。但是，在分析測量信息的過程中，工作人員必須仔細(xì)比對，不可在不清晰的地方用自己的經(jīng)驗(yàn)去判斷，這樣很容易造成分析錯誤，所以在航測的后期信息處理方面工作人員應(yīng)該多加注意[2]。

3 低空航測無人機(jī)測量誤差來源

3.1 多動態(tài)因素造成的誤差

無人機(jī)進(jìn)行低空的航空作業(yè)中，控制好精度的絕對值是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)有效工作的一個基本要求，要使得無人機(jī)完成目標(biāo)任務(wù)，還需要提前給無人機(jī)輸入一定的有效參數(shù)。在這個過程當(dāng)中，需要將多個與測量結(jié)果有關(guān)系的參數(shù)結(jié)合起來考慮，比如平面坐標(biāo)、高程、相對比例系數(shù)、鏡頭焦距、相片的具體對焦等等。這些因素如果沒有進(jìn)行正確設(shè)定，則會使得實(shí)際定位出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致在對標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校對時出現(xiàn)異常，干擾系數(shù)的固定性越差，那么所產(chǎn)生的誤差就會越大，最后得到的航空測繪結(jié)果就會極大的偏離實(shí)際值。

3.2 定向誤差

定向誤差包含定點(diǎn)坐標(biāo)的讀數(shù)誤差、絕對誤差和相對誤差三種。點(diǎn)坐標(biāo)的讀數(shù)誤差通常會因?yàn)橹車h(huán)境影響而出現(xiàn)，比如天氣、測繪地址的地理環(huán)境等。除此以外，還會出現(xiàn)偶然性，比如在測繪過程中，風(fēng)突然將無人機(jī)吹動，造成測量被干擾；也可能是地面起伏較大，攝像頭不能將之完全錄入，這樣也會造成誤差。而定點(diǎn)的坐標(biāo)誤差還是絕對誤差和相對誤差產(chǎn)生的基礎(chǔ)[3]。相對誤差意思依據(jù)不同的參照物和參考系時，同一個物體、同一個無人機(jī)所測出來的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定的差距，可能是垂直誤差也可能是水平方向上的誤差。絕對誤差指的是在固定的標(biāo)準(zhǔn)參照物下，目標(biāo)的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存在著遠(yuǎn)近或高度之間的誤差。以上提到的誤差都具有偶然性，會受到周圍環(huán)境、天氣、人為等外界因素的影響，也會受到定向誤差的直接影響。然而在對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算的時候，還可能因?yàn)橛涗浀男畔⑷笔Щ蝈e漏等情況，導(dǎo)致誤差增大。所以即使航拍攝影無人機(jī)對于航測的測繪精度要求較高，但是依舊不可避免出現(xiàn)誤差。

3.3 攝像畸變誤差

攝像頭因?yàn)槭褂媚晗捱^長或者是外界強(qiáng)力的原因產(chǎn)生畸變，這也會導(dǎo)致測繪結(jié)果出現(xiàn)誤差，但是這樣的誤差一般稱為偶然誤差。很少會出現(xiàn)因?yàn)殓R頭內(nèi)的方位因素過少導(dǎo)致獲取的資料和數(shù)據(jù)過少，而產(chǎn)生的誤差，但是這樣的誤差一旦產(chǎn)生那往往是不可避免的。鏡頭收集到的信息中誤差如果太多，就需要無人機(jī)系統(tǒng)立刻展開一定的數(shù)據(jù)分析和誤差定位，對產(chǎn)生誤差的部位進(jìn)行控制改正。如果在進(jìn)行航空測繪的過程中，因?yàn)橄鄼C(jī)參數(shù)的調(diào)整異樣，而導(dǎo)致沒有辦法對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時矯正和重新獲取，這樣得到的結(jié)果通常是與實(shí)際情況不符合。通過進(jìn)一步的分析研究可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閮?nèi)在因素而導(dǎo)致的測量誤差，與飛行前是否對無人機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和評估有著密切的關(guān)系。在進(jìn)行飛前無人機(jī)檢測的時候，專業(yè)的檢驗(yàn)場所應(yīng)該獲取無人機(jī)關(guān)于多個定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，以此來判斷無人機(jī)的各項(xiàng)功能是否可以正常使用。嚴(yán)格的檢測評估可以防止在進(jìn)行實(shí)際的測繪過程中無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)和信息有所缺失的情況，防止相機(jī)等功能出現(xiàn)意外情況，影響后續(xù)的測量。

4 低空航測無人機(jī)測量誤差的控制方法

4.1 線性糾偏

線性糾偏的方法是一種較為常見的標(biāo)準(zhǔn)糾正方法，主要是使用單個或者是多個給定的線性要求對航測進(jìn)行限制。經(jīng)過不斷的限制，就可以減少監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際值的偏差，減弱周圍動態(tài)環(huán)境對無人機(jī)測繪的影響。其中主要的表達(dá)式子為Y=X+0.04B。利用上述表達(dá)式對無人機(jī)檢測進(jìn)行限制，首先針對所獲得的相片的比例系數(shù)進(jìn)行檢測，然后將其與航拍總時間、照片的總長度相互聯(lián)系結(jié)合，從三個方面建立起約束體系對其進(jìn)行約束限制。還可以將所要測繪的區(qū)域分成多個部分，每完成一部分測繪后就進(jìn)行公式限制，最后將每個趨于的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，可以最大程度的減小產(chǎn)生的誤差。

4.2 參數(shù)采集和標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)用

數(shù)據(jù)的采集分析和標(biāo)準(zhǔn)化使用，是針對技術(shù)和數(shù)據(jù)的改正和完善，它可以將所獲取的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行總結(jié)和重復(fù)利用，引用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)對測繪的物體進(jìn)行模擬建模。比如說對某個十分險峻而復(fù)雜的地勢進(jìn)行勘測的時候，就需要無人機(jī)獲取他的垂直數(shù)據(jù)和水平數(shù)據(jù)，然后在這兩個數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用虛擬建模技術(shù)對物體進(jìn)行建模，這樣可以進(jìn)一步的減小甚至消除誤差。

4.3 附加激光測距

為提升測量精度，在利用無人機(jī)技術(shù)展開測量時也可附加激光測距。這類儀器在工作時向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，儀器光電元件接收目標(biāo)反射的激光束。在這一射出、接收過程中，由定時器測定完成這一操作所花費(fèi)的時間，根據(jù)時間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算出距離以及方位等信息。激光測距原理簡單、可靠也便于操作，測量速度快且精度高，是一項(xiàng)十分科學(xué)可行的輔助測量技術(shù)。

4.4 科學(xué)布設(shè)控制點(diǎn)

控制點(diǎn)布設(shè)是否科學(xué)合理決定了測量結(jié)果是否準(zhǔn)確。在應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行測量時，工作人員需重視控制點(diǎn)的布設(shè)，采用科學(xué)合理的計(jì)算方法與技術(shù)手段對控制點(diǎn)的位置、點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測量計(jì)算，縮短對控制網(wǎng)點(diǎn)的檢測時間，增加對控制網(wǎng)點(diǎn)的檢測頻率，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)布點(diǎn)。在測量過程中，工作人員必須嚴(yán)密把握高程起算點(diǎn)精確性，合理確定控制點(diǎn)數(shù)目，一般情況下測量區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)數(shù)量不能少于6個，且各控制點(diǎn)之間應(yīng)距離均勻，從而提高擬合的準(zhǔn)確性，提高測量的精度。

4.5 空中三角測量

空中三角測量航空攝影測量中最關(guān)鍵的步驟，它直接影響著測繪產(chǎn)品的精準(zhǔn)度與可靠性。其主要運(yùn)行原理為憑借少量像片控制點(diǎn)計(jì)算出像片外方位元素，進(jìn)一步形成航攝像片和地面目標(biāo)間的空間幾何關(guān)系，在控制點(diǎn)的精確度、數(shù)量、布設(shè)方案與空三匹配算法都與空中三角測量的精度存在關(guān)聯(lián)。因?yàn)榈秃娇諟y無人機(jī)具有重量輕、體積小的特征，與大型飛機(jī)相比較通常存在姿態(tài)不穩(wěn)定的情況，當(dāng)前與差分GPS技術(shù)相結(jié)合實(shí)施GPS輔助空中三角測量，可以在獲取航攝影像時同時獲取精度較高的攝站點(diǎn)坐標(biāo)信息，目前可以達(dá)到少像控甚至免像控，在確保精度的基礎(chǔ)上，大幅減少外業(yè)工作量，提高工作效率，減少作業(yè)成本。

5 結(jié)語

低空航空測繪無人機(jī)在進(jìn)行測繪工作的時候，誤差的出現(xiàn)是正常的且無法避免的，只有通過不斷地改進(jìn)測繪技術(shù)、升級航測無人機(jī)，才能不斷將誤差減小。為了更好地減少無人機(jī)航測的誤差，在后續(xù)的工作和研究中，專業(yè)人員可以考慮加入糾偏機(jī)制和反復(fù)測量等方法對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)誤差的最小化。