無人機在獲取高精度DEM數據中高度設計的研究

張國明，田行宜，王盈瑩，廖雪言，白洪陽，辛 星

(1. 蘭州大學 土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000； 2. 蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

隨著計算機以及遙感技術的發展，越來越多的人追求高精度的DEM數據以獲得豐富而精確的信息，從而便于地質災害的研究與監控。如雷達技術，衛星影像，三維激光掃描儀，固定翼無人機航測等技術的應用[1-3]，這些技術被廣泛的用在大規模的野外地質調查中，雖然能獲得了較高分辨率的DEM數據，但是這些技術的共同特點就是花費較大，時間周期較長。而且對于小規模的地質災害調查，在其局部微小地質特征的識別方面，計算機的自動識別算法尚不能滿要求，這時就需要人的視覺判，上述方法所獲得的DEM數據基本不能滿足要求。多旋翼無人機在小區域的地質調查中，有迅速、高效、高精度、低成本的優點。中國是個地質災害多發的國家[4]。特別是近幾年來隨著城市化進程的加快，人類活動增強，水電工程興建引起了一系列的地質災害，如滑坡、泥石流、沖溝侵蝕等，對人民群眾的生命和財產安全構成嚴重威脅。一種快速的地質災害調查、監控方法或者是手段是必要的，無人機航測技術在這方面表現出了優良的性能和極大的優勢，針對區域小規模地質災害可以快速的獲取地面數據，以做研究和應對措施。如無人機在滑坡、山崩、沖溝侵蝕等方面的應用表現出了極大的優勢。那么如何通過合的飛行高度設計以及正確的操作使無人機能夠快速、高效地獲取高精度DEM數據是亟待解決的。

影響無人機數據據精度的因素是多方面的[5]。如飛行高度、照片重疊度、鏡頭參數、光照因素、后期航片處理、以及操作者的熟練度。本文主要有兩個研究目標：第1個是如何根據目標DEM數據分辨率進行合理的飛行高度設計。第2個是完成DEM數據應用可靠性的評價。

1 研究區域

為了探究無人機測量精度以及飛行高度對數據精度的影響，經過調研我們選擇校園廣場的一個小區域作為實驗區域。該區域臺階的數量較多，且單個臺階高在40 cm左右，尺度較小，剖面突變頻繁且較規律，外形變化較大。利用DEM數據獲取較為精確的臺階剖面圖對其精度有著較高的要求。

2 試驗材料方法

2.1 航測系統的介紹

一個無人機測量系統一般包括飛控、機架、動力系統、遙控器、相機、地面站，除此之外無人機飛行器可以搭載多種傳感器來采集數據。

該研究區域的航空勘測使用了大疆精靈3 s，一種消費級的四旋翼無人機。相機具體參數詳見表1。

表1 相機具體參數 mm

2.2 高度設計試驗

在遙感中，地面分辨率(GSD)反應了影像能有差別地區分開兩個相鄰地物的最小距離的能力。飛行高度等參數和GSD之間存在著一定的關系。為了獲得滿足研究所需要的高分辨率DEM數據，在飛行前了解GSD的計算有助于我們在飛行前合理設計飛行高度。

(1)

(2)

(3)

式中，GSD為地面分辨率，m；μ為像素尺寸，mm；W是傳感器的寬度，mm；Sw是每張航片寬度上的像素數；H是飛行高度，m；F是焦距，mm。

GSD=k×H

(4)

代入具體參數，我們可以得到無人機大疆精靈3 s下的k值：k=3.281 163×10-4。

該理論式是基于單張航片得出的，而DEM數據是由多張有著一定重合度的航片基于計算機的自動識別算法組合而的。那么此時理論公式是否適合DEM分辨率的計算，也就是能否在飛行高度的設計上提供一定的參考價值，這時需要必要的試驗?；谠搯栴}我們在其他參數設計合理的情況下，飛行高度為25.1 m的條件下對實驗區域展開了航測。為了節省時間成本航片格式采用GPEG的格式，先人的研究已經證明JPEG壓縮對DEM的精度幾乎沒有影響。

飛行結束獲得航片后，經過后期數據處理，我們獲得了試驗區域的正射影像和DEM展示圖(圖1)。

圖1 試驗區域的正射影像和DEM

由式(4)以及k值可以得到：

GSD=k×H=3.281 163×10-4×25.1=0.008 23 m=8.23 mm

而實際GSD值為9.78 mm，有一定的差距。分析可知高度不是很合適，因為設計的飛行高度是相對于起飛點的高度，在飛行過程由于地表的起伏變化，高度是會不斷變化的。

在以上算式中我們直接取無人機初始設置飛行高度進行計算，理論計算的GSD值與實測的有一定的誤差?？紤]到DEM以及正射影像是由航片經過計算機自動算法合成的，我們嘗試取無人機相對地面的平均高度H3進行計算驗證。

H1=25.1 m，實測H2=5.723 m，那么可得H3=27.961 5 m，由式(4)可得GSD=9.174 624 mm。此時的分辨率理論計算值與實際值相差為：9.78-9.174 624=0.605 376 mm，約為0.6 mm。說明式(4)計算方法有一定的指導價值，但是需要注意H是無人機相對于地面的平均高度。

2.3 實測精度試驗

此次獲得的試驗區域的DEM數據精度為9.78 mm，那么基于消費級無人機大疆精靈3 s所獲得DEM數據是否可以運用在實際的工作中，為了確定數據的可靠性，我們在航測前標定的剖面線位置處做了剖面分析，得到該位置處的剖面圖，同時我們也利用傳統的方法(全站儀)測量得到了該位置處的剖面圖(圖2)。

從倆次剖面對比圖中可以發現，實測和基于無人機數據所得的剖面圖在形態上是相近的，數值上相差甚微，說明了無人獲取高精度地形數據的可靠性。

3 結 論

1)飛行高度不但直接影響著數據的分辨率，同時也影響著飛行時間。飛行高度越高飛行所需要時間越短，但是數據分辨率也越低。但當飛行高度取得很低會大幅度的增加時間成本，所以合理的規劃飛行高度是非常有必要的。本文給出的計算方法，具有重要的參考價值，可以根據目標DEM數據的分辨率較為準確的獲得飛行高度。但是注意在選取H的時候要取其平均高度。如此不但能獲得所需精度的數據同時也能保證工作效率。

(a)傳統方法(全站儀)所得的剖面；(b)無人機數據所獲得剖面

2)本文同時也對其它飛行參數的設計提供了參考。天氣狀況是影響數據精度的一大要素。主要通過影響航片的質量以及GPS的定位來影響DEM數據的精度。在進行工作的時候，盡量選取目標區域能較為均勻的受到光照的條件，避免光照的直射。在風速的選擇上風速越小越好，這樣小型的無人機在工作的時候較為穩定，同時較為安全。盡量避免霧霾以及陰天等惡略氣候條件，這樣的條件不但影響著GPS定位的精度也會增加危險系數。在主航線上圖像重復率超過80%，主航線間的圖像重復率超過60%，數據的精度可以得到有效的保證，根據目標區域的面積的可以適當的調整。

3)消費級無人機在小規模區域DEM數據獲取的應用具有一定可靠性。