影響無人機(jī)航攝的高程精度分析

路思岐 豐立柱

摘? 要：目前無人機(jī)技術(shù)在測繪行業(yè)中應(yīng)用愈加廣泛，更多從業(yè)人員將無人機(jī)應(yīng)用在與高程測量有關(guān)的場景，但影響航攝高程精度的因素較多，怎樣采取一定舉措以提高航攝高程精度已成為業(yè)內(nèi)人員更加關(guān)心的問題。在進(jìn)行精度探究時多從DLG成圖角度來分析，未就高程精度影響因素進(jìn)行探討，文章基于理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合航攝技術(shù)作業(yè)流程探討了在航攝作業(yè)時高程精度的影響因素，提出了合適的航測設(shè)計方法，可為今后航測工作提供一定參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；高程；影響因素；基高比

中圖分類號：P231? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0118-03

Abstract： At present， UAV technology is more and more widely used in the surveying and mapping industry， and more practitioners will apply UAV in scenarios related to elevation measurement， but there are many factors affecting the elevation accuracy of aerial photography， and how to take certain measures to improve the elevation accuracy of aerial photography has become a more concerned issue in the industry. In the precision exploration， most of the analysis is from the perspective of DLG diagram， and the factors affecting the elevation precision are not discussed. Based on theoretical analysis and experimental verification， combined with aerial photography technical operation process， this paper discusses the influencing factors of elevation accuracy in aerial photography operations， and proposes appropriate aerial survey design methods， which can provide certain reference for future aerial survey work.

Keywords： UAV; elevation; influencing factor; base-height ratio

0? 引? 言

近幾年航攝技術(shù)不斷發(fā)展成熟，航攝作業(yè)流程日臻完善，基于無人機(jī)的低空影像獲取已成為航空攝影測量的主要手段，相比以前傳統(tǒng)測繪方法，使用無人機(jī)進(jìn)行航測工作更加方便快捷，精度較高，具有較好的發(fā)展趨勢。

但目前我國在無人機(jī)航攝領(lǐng)域仍存在諸多不足，具體如下：

1）測繪部門暫未提出關(guān)于無人機(jī)航攝的國家規(guī)范，因此目前各作業(yè)部門多憑借自身經(jīng)驗(yàn)實(shí)施作業(yè)，作業(yè)方法各不相同，精度的一致性無法得到保證；

2）航攝路線設(shè)計時，重疊度的選擇存在兩難。重疊度過低會影響作業(yè)精度，但增加重疊度會較大的增加作業(yè)時間，導(dǎo)致作業(yè)效率降低。

3）在進(jìn)行航線設(shè)計時，重在平面精度的衡量，針對高程精度的專項(xiàng)設(shè)計較少。

鑒于上述原因，有必要在作業(yè)前對無人機(jī)精度的影響因素進(jìn)行分析，并采取必要措施以提升作業(yè)精度。本文就針對精度問題，基于理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合航攝技術(shù)作業(yè)流程探討無人機(jī)在航攝作業(yè)時高程精度的影響因素，并利用無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)，逐一對不同的重疊度和基高比等因素下所測量的高程精度進(jìn)行比對，并對上述影響因素進(jìn)行了分析總結(jié)，提出合理的航測規(guī)劃方案建議。

1? 無人機(jī)航攝技術(shù)作業(yè)流程

1.1? 技術(shù)準(zhǔn)備

在無人機(jī)進(jìn)行航測作業(yè)之前，應(yīng)提前設(shè)計好航線、飛行架次，設(shè)計合理的測量方案并擬寫航測技術(shù)設(shè)計書，描繪航測技術(shù)設(shè)計圖（應(yīng)包括航測作業(yè)范圍、地勢以及已知地面控制情況）[1]。為檢核測繪精度，需設(shè)置一定數(shù)量的像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)，點(diǎn)位須清晰且無遮擋，使用RTK固定解方式對其進(jìn)行點(diǎn)采集。使用GNSS固定解方式對其進(jìn)行點(diǎn)采集，采集數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2? 飛行實(shí)施

按照擬定的航測技術(shù)設(shè)計書，等待合適的天氣，選擇測區(qū)中較為空曠的地點(diǎn)作為起降點(diǎn)，檢查儀器設(shè)備情況良好后，對測區(qū)進(jìn)行影像采集。為保證飛行安全，飛機(jī)起飛后要實(shí)時持續(xù)觀察飛機(jī)的動向，關(guān)注飛機(jī)的飛行高度、速度、姿態(tài)以及電池電量和航線的完成狀況等。飛行任務(wù)完成后，對航攝影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，并將其導(dǎo)出，若有不合格的區(qū)域，應(yīng)及時進(jìn)行補(bǔ)飛，使影像數(shù)據(jù)的精度質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)定和要求。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

借助Context Capture軟件對無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。新建項(xiàng)目后，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)，進(jìn)行空三解算[2]。解算完成后對比選刺像控點(diǎn)，保證每個像控點(diǎn)最少有6～9個相對應(yīng)的匹配點(diǎn)。刺點(diǎn)完成后再次提交空三解算。采用規(guī)則平面格網(wǎng)切塊方法生產(chǎn)三維模型。

1.4? 精度評定

將正射影像導(dǎo)入Cass 3D中，捕捉檢核點(diǎn)的同名點(diǎn)的量測坐標(biāo)值，與檢核點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精度比對，使用中誤差計算公式（1）計算中誤差，其精度應(yīng)符合規(guī)范要求。

2? 基高比對航測高程精度的影響

基高比是影響航攝像片精度質(zhì)量的主要原因。攝影基線長度（B）與航高（H）的比值就是基高比（G），表示的是兩個相鄰攝站相對于地面點(diǎn)的交會角[3]。攝影基線是相鄰兩像片攝影中心的連線；航高是選取攝區(qū)的平均高程面作為航攝基準(zhǔn)面，攝影機(jī)的物鏡中心到航攝基準(zhǔn)面的距離。像片重疊度越大，同一航線或相鄰航線相鄰兩張像片間的匹配點(diǎn)越多，匹配精度就越高[4]。當(dāng)航高確定后，在航向上相鄰影像的重疊度決定了攝影基線長度，即航向重疊度越大，攝影基線越短，基高比變?。环粗弑扔骩5]。

立體像對中兩張像片空間前方交會的幾何關(guān)系如（圖1）所示，B表示攝影基線長度，H代表航高，f為攝影焦距，b為像片基線，θ是兩個相鄰攝站到地面點(diǎn)的交會角，mxy代表像片的測量誤差，mXY是空間點(diǎn)平面坐標(biāo)測量誤差，mz表示空間點(diǎn)的高程誤差。

由式（6）可以看出，相機(jī)的地面分辨率（GSD）、像點(diǎn)坐標(biāo)測量精度、基高比三個因素都會對點(diǎn)位高程精度產(chǎn)生影響。當(dāng)航測相機(jī)和航測比例尺確定后，地面分辨率（GSD）與測量誤差mxy不變，高程精度mz與基高比G成正比，與航高H成反比[6]，即B/H愈大，則高程精度mz愈高。

以測區(qū)為例，采用Phantom4 RTK無人機(jī)，分別設(shè)置70 m和100 m兩種飛行高度，兩高度下再設(shè)置不同的重疊度，分別采集同一測區(qū)的遙感影像，共計飛行4架次。根據(jù)現(xiàn)場具體狀況，設(shè)置相機(jī)焦距為8.8 mm，分別設(shè)置航向重疊度80%、旁向重疊度70%和航向重疊度70%、旁向重疊度50%兩種重疊度。

為保證影像精度，應(yīng)進(jìn)行精度評定，使用同名點(diǎn)量測坐標(biāo)對比檢核點(diǎn)坐標(biāo)，通過式（1）計算出平面及高程中誤差?；弑瓤赏ㄟ^式（7）計算得出，式中最大像素5 472像素×3 648像素，相機(jī)CCD尺寸PX×PY：13.2 mm×8.8 mm，焦距8.8 mm。對比不同航高下不同重疊度的航測精度，及不同基高比對航測精度的影響，如表2、表3、表4、表5所示。

通過四架次的航攝數(shù)據(jù)可以看出，基高比對航測精度有一定的影響，隨著基高比的增加，平面及高程精度都會有所提高。因此，為提高高程精度就需要增大基高比，而增大基高比要通過減小重疊度或降低航高來實(shí)現(xiàn)。重疊度升高或飛行高度降低時會大幅增加航測像片數(shù)量以致內(nèi)業(yè)工作量過重，但當(dāng)重疊度過低時，地物點(diǎn)只能在少部分影像中重復(fù)出現(xiàn)，會減少相鄰像片之間連接點(diǎn)的個數(shù)，就會降低像片匹配精度和相對定向精度，導(dǎo)致匹配點(diǎn)平差結(jié)構(gòu)弱化，且隨著影像分辨率的降低，在刺點(diǎn)操作時也會引入一定的誤差，因此選用適當(dāng)?shù)幕弑?，即合理的進(jìn)行航線規(guī)劃便成為提高航測精度的關(guān)鍵。為了平衡內(nèi)業(yè)工作量與高程精度，應(yīng)設(shè)計合理的航測方案，結(jié)合本次試驗(yàn)，推薦選取飛行高度100 m，航向重疊度70%，旁向重疊度50%，在確保精度的前提下有效地提高了工作效率。

3? 結(jié)? 論

根據(jù)上述試驗(yàn)，我們結(jié)合航攝流程分析了像片重疊度、基高比對航測高程精度所造成的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明基高比越大時，空間點(diǎn)的高程精度就越好，使航測成果精度均能滿足設(shè)計要求。通過適當(dāng)降低航向重疊度以增大基高比等方法來平衡航測精度與工作效率之間的關(guān)系，在航測時顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王佩軍，徐亞明.攝影測量學(xué)：第1版 [M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[2] 周玉秀，申忠昌，王永菊.無人機(jī)低空攝影測量數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用探討 [J].青海大學(xué)學(xué)報，2021，39（3）：88-92.

[3] 溫成龍，張兆江，商洋洋.提高無人機(jī)高程精度的影像獲取方法 [J].地理空間信息，2017，15（6）：38-40+4.

[4] 張效鋒.影響無人機(jī)航測高程精度因素的研究 [J].現(xiàn)代測繪，2021，44（3）：31-33.

[5] 柏飛.影響無人機(jī)航測高程精度分析 [J].測繪技術(shù)裝備，2014，16（3）：92-93+56.

[6] 段興全，胡賢.淺析無人機(jī)航測高程精度影響因素 [J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2018（12）：5324.

作者簡介：路思岐（2000—），男，漢族，天津人，本科在讀，研究方向：測繪工程；豐立柱（1985—），男，漢族，山東曲阜人，教師，碩士研究生，研究方向：攝影測量。