低空無人機大比例尺測圖精度分析

盧 偉

(廣東省地質局第六地質大隊，廣東江門 529000)

1 引 言

當前，無人機低空攝影測量系統已在全國范圍內大力推廣。無人機低空攝影測量在應急測繪保障、新農村建設用地測繪、復雜困難地區測繪、國土資源利用監測等應用方面具有特殊優勢，且取得了良好的社會和經濟效益[1]。相關科研單位建立了完善的無人機航測服務體系，能夠提供數據處理軟硬件設施、技術培訓、售后服務等一整套服務，解決了生產單位的后顧之憂[2]。在像片解算方面，國內普遍采用的是經過檢校的非量測型數碼像機，其利用GPS/IMU定位導航系統定點曝光，通過POS輔助空三解算像片的外方位元素。而目前無人機搭載的五鏡頭像機，一次飛行能夠獲取5個方向的照片數據，可通過建模來實現三維方向立體成圖[3-5]。

本文結合實際工程項目，闡述了光束法區域網平差的整體流程，對無人機低空攝影測量影像進行內業處理，實現了無人機低空攝影測量成圖全流程，并且對像控點精度、地物地貌精度進行驗證。精度驗證結果表明，低空無人機攝影測量技術能滿足大比例尺地形圖測繪的精度要求。

2 低空無人機系統組成

無人機遙感系統一般由飛行平臺、飛行控制系統、地面監控系統、任務設備、數據傳輸系統、發射與回收系統及地面保障裝備等7部分組成。

飛行平臺就是無人機本身，是搭載導航設備、數碼像機等儀器的載體。為了滿足航空攝影測量任務的需要，無人機的載荷一般要大于2 kg，飛行速度一般要達到60～160 km/h，飛行時間不低于2 h，并且能夠抵御4級風的影響[6]。

飛行控制系統是飛機上導航、定位和自主飛行控制的設備，飛行控制系統的重量應小于2 kg。機載飛行控制系統主要包括飛控板、慣性導航系統、GNSS接收機、氣壓傳感器、空速傳感器、轉速傳感器等部件。系統除具備GNSS/INS慣性導航功能外，為適應攝影測量的需要，飛行姿態控制橫滾角、俯仰角、航向角誤差均應小于±3°，航跡控制精度中偏航距、航高均差應小于±20 m，直線段航跡彎曲度應小于±5°[7]。由于無人機平臺普遍配備GNSS慣性導航系統，POS輔助空中攝影測量在無人機低空攝影測量中得到了廣泛應用。

地面監控系統主要由無線電遙控器、RC接收機、監控計算機以及配套的相關軟件等組成。雖然無人機可以在自動駕駛儀的控制線進行自動作業，但時常會出現發動機故障、飛機失速等問題，需要地面監控系統時刻監控無人機的飛行狀態[8]。

任務設備是無人機進行航測作業系統所使用的數碼像機以及其控制系統等相關的附設裝置，主要用于獲取和存儲航空影像。數碼像機應具備電子快門，且快門速度要快于1/1 000 s。數碼像機的控制系統要具備等時差、等間距、定點曝光控制功能，并能記錄數碼像機曝光時刻像機投影中心的位置以及姿態信息[9]。數碼像機控制系統可以單獨配置，也可與飛行控制系統集成。

數據傳輸系統由機載部分和地面部分組成，用于地面監控系統與無人機之間的通信。在空地之間沒有遮擋的情況下，通信有效距離需大于10 km。發射系統負責通過滑跑或者彈射的方式放飛無人機。采用滑跑起飛方式 ，一般要求在60～100 m距離內達到起飛速度并升空。在回收方面，如果條件允許，無人機可采用滑行回收系統。如果場地不允許，無人機可采用彈射起飛、傘降回收的方式作業。

地面保障設備包括運輸保障設備和航攝作業保障設備。運輸保障設備是指用于無人機航攝系統設備和部件運輸保障的包裝運輸箱，系統主要設備和易損部件應配備專用包裝運輸箱。航攝作業保障設備主要是指野外裝備，這是保障無人機航攝工作正常開展所需的設備器材，其種類和數量根據實際需求確定。

3 解析法空中三角測量

3.1 基本流程

目前投入使用的無人機航測系統基本上都搭載了POS系統，雖然獲取的POS數據不能用于POS輔助空中三角測量，但獲得的粗略POS信息可以用來識別航帶，用作相對定向循環解算的初始值，這樣可以加快收斂。收集現有的地形圖和布設地面控制點作為控制依據和最后精度評價的檢驗點。由于無人機上搭載的是普通數碼像機，而不是專業的量測像機，內部畸變非常大，所以在相對定向前要進行像機標定。像機標定是非常重要的步驟，關系到后面匹配的精度，進而影響空三解算的結果。無人機低空攝影測量系統解析空中三角測量的具體流程如圖1所示。

圖1 解析空中三角測量流程Fig.1 Process of analytical photogrammetric aerial triangulation

3.2 解析空中三角測量原理

解析空中三角測量是指用計算的方法，根據遙感像片上量測的像點坐標和少量地面控制點，采用較嚴密的數學公式，依據最小二乘法原理，用計算機解算待定點的平面坐標和高程。解析空中三角測量目前常用的方法是區域網平差。區域網平差是指在由多條航線連接成的區域內進行控制點加密，并對加密點的平面坐標和高程進行整體平差。將構網的方法和平差單元作為劃分依據，區域網平差的基本方法包括航帶法、獨立模型法和光束法[10]。

在上述三種方法中，航帶法所求解的未知數少，計算方便快速，但是不如光束法和獨立模型法嚴密，因此主要用于為光束法提供初始值和低精度的坐標加密；獨立模型法理論較嚴密，精度較高，未知數、計算量和計算速度介于光束法和航帶法之間；光束法理論最為嚴密，加密成果的精度較高，但需要解求的未知數多，計算量大，計算速度較慢。當前高精度空中三角測量加密普遍采用光束法區域網平差。由于本次數據處理采用的是光束法區域網平差，故對此方法進行著重介紹。

3.3 光束法區域網平差

光束法區域網平差以一張像片組成的一束光線作為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的數學模型，以相鄰像片公共交會點坐標相等、控制點的內業坐標與已知的外業坐標相等為條件，列出控制點和加密點的誤差方程式，進行全區域統一平差計算，解求出每張像片的外方位元素和加密點的地面坐標。

圖2 光束法區域網平差示意圖Fig.2 Diagram of area adjustment with bundle method

光束法區域網平差的主要步驟如下：

1)確定像片外方位元素和地面點坐標近似值。

如果初始值不能確定，可以采用地形圖獲取，也可采用交替進行后方交會和前方交會建立航帶模型，但通常采用航帶法加密成果作為光束法區域網平差的初值。

2)逐點建立誤差方程式和改化法方程式。

3)利用邊法化邊消元循環分塊法解求改化法方程式。

4)求出每張像片的外方位元素。

5)根據空間前方交會求得待定點的地面坐標，取像片公共連接點的均值作為最后成果。

光束法區域網平差以像點坐標作為觀測值，理論嚴密，但對原始數據的系統誤差十分敏感，只有預先消除像點坐標的系統誤差后，才能得到理想的加密成果。因此，為降低影像上的系統誤差，必須消除影像畸變差的影響。在獲得每張像片的外方位元素和加密點地面坐標的近似值后，利用共線條件方程式列出每張像片上控制點和加密點的誤差方程式。求得每張像片的外方位元素后，可利用雙像空間前方交會或多像空間前方交會法解求全部加密點的地面坐標。其中，多像空間前方交會法是根據共線方程，由待定點在不同像片上的所有像點列誤差方程式進行解算。

4 工程實例與精度分析

4.1 項目基本情況

該測區位于某地，測區內平原地區約占33%，丘陵地區約占38%，其余為山地地區。測區北部多為林地，中部地區為草地，南部地區為沙漠地，測區內有條寬約240 m的河流流過。該測區1∶2 000高分辨率數據生產項目主要是利用無人機低空攝影技術進行航測作業，獲取測區11.49 km2內優于0.2 m地面分辨率的數碼影像后，在布設地面控制點的基礎上，利用DPGrid軟件進行自動空三加密，隨后利用Virtuozo軟件進行航測數據的內業采集并最終生成測區范圍內1∶2 000比例尺的數字線劃圖(DLG)，具體技術流程如圖3所示。

圖3 1∶2 000 DLG生產技術流程Fig.3 1∶ 2 000 DLG production flow chart of the surveying area

1)航帶設置

本測區航攝飛行預定的飛行航帶設置如圖4所示。航向重疊度一般設置為60%～65%，旁向重疊度設置為30%～40%。當測區建筑較密集時，可適當增大航向重疊度與旁向重疊度，以減弱因航向重疊度不足而造成的建筑物幾何結構粘連。

圖4 航帶設置Fig.4 Chart of flight belt setting

2)地面像控點的布設

本測區共布設173個外業像控點，有效點位141個。其中選取125個點作為地面控制點，16個點作為檢核點。像控點的點位分布如圖5所示，其中黑色為地面控制點，紅色為檢核點，162號點的數字刺點如圖6所示。

圖5 外業像控點分布Fig.5 Distribution of field image control points

圖6 刺點圖示例Fig.6 Example of prick chart

4.2 空三加密結果精度評定

4.2.1 總體結果

本次項目共布設像控點173個，其中個別點位判讀困難，為保證精度進行了剔除，實際利用像控點為141個。其中，用作地面控制點125個，檢核點16個。按步驟及要求處理各項數據后，得到地面控制點與檢核點平差的殘差值。

在125個地面控制點中，有2個控制點的高程誤差過大不能使用。最終使用123個點進行平差計算，得到平差殘差的統計結果如表1所示。

表1 點平差的計算結果Tab.1 Adjustmentresultsoftheparticipatingpoints方向中誤差/m最小中誤差/m最大中誤差/mX0.23380.04440.8158Y0.24440.00270.7724XY0.33820.28830.8815Z0.32560.00790.8408

剔除2個高程出現粗差的控制點后，利用123個平面坐標值和123個高程值進行平差計算，得到平差殘差的統計結果如表2所示。16個檢核點平差的結果如表3所示。

表2 123個平高控制點平差結果Tab.2 Adjustmentresultsof123levelingcontrolpoints方向中誤差/m最小中誤差/m最大中誤差/mX0.22880.03800.8158Y0.24620.00380.7724XY0.33610.28570.8815Z0.32560.00790.8408

結合控制點殘差、檢查點誤差最大限值的規定，從表3可以看出，地面控制點和檢查點的各項平差結果均滿足相應要求中的最高精度要求，即對于平地區域的要求。由此可見，無人機低空攝影測量的航測數據在處理后進行空三加密，其精度可以滿足1∶2 000地形圖測繪的要求。

表3 檢核點平差結果Tab.3 Adjustmentresultsofcheckpoints方向中誤差/m最小中誤差/m最大中誤差/mX0.25160.10940.6410Y0.25380.00750.6456XY0.35740.29010.6920Z0.36720.06330.6372

4.2.2 地形、地物對控制點精度的影響分析

通過對不同地形特征、不同地物覆蓋的控制點平差進行精度分析可知，不同的地形特征、地物對控制點的精度均存在一定的影響。

4.2.2.1 不同地形對像控點精度的影響

平地點數為41、丘陵點數為47、山地地區點數為35，得到空三加密不同地形地面控制點中誤差和最大誤差統計,如表4所示。

表4 空三加密不同地形地面控制點中誤差和最大誤差Tab.4 Themeansquareerrorandthemaximumerrorofthedensificationfordifferentterraincontrolpoints中誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m最大誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m平地0.14460.17290.22540.32480.30130.48560.49460.7281丘陵0.23310.23350.32990.36480.62240.72700.75441.9375山地0.31690.34820.47090.45350.81580.77240.88150.8408

通過對比不同區域控制點空三加密的中誤差可以看出，地形對控制點的精度存在一定的影響，布設在平地、丘陵、山地地區的控制點精度依次降低。另外，其影響不僅體現在整體的中誤差方面，也體現在最大中誤差方面。除丘陵地區的67號點出現粗差外，布設在平地、丘陵、山地地區的控制點量測所出現的最大誤差依次增大，導致這類現象的原因主要有以下兩點：

一是在布設像控點過程中，采用RTK方式量測其坐標，由于像控點位置關系導致GNSS信號遮擋等原因造成了精度差異；

二是由于丘陵、山地區域像控點布設困難，其周圍區域像控點布設較少且不均勻，導致該區域定位精度較低。

此外，除由于67號點導致丘陵地區最大高程誤差出現粗差外，在丘陵、山地布設的控制點中存在較多點位誤差偏大的點，對整體中誤差的影響也較大。

這主要是因為丘陵與山地地區地表植被覆蓋而導致的GNSS信號遮擋，同時導致這類地區植被判別出現差錯。

4.2.2.2 不同地物對像控點精度的影響

在不同的地形與地貌條件下，分別采取像控點進行較差比較，結果如表5所示。

表5 空三加密不同地物覆蓋下地面控制點中誤差和最大誤差Tab.5 Themeansquareerrorandmaximumerrorofthedensificationofgroundcontrolpointsunderdifferentlandcover中誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m最大誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m公路0.15030.14900.21160.33290.32450.50400.50400.6124房子0.18070.20330.27200.30410.18070.20330.27200.3041灌木0.22650.23460.32610.28350.39950.71690.71990.7299農田0.22010.27760.35430.41330.57310.72700.75441.9375樹0.27750.27990.39410.39050.62240.77240.77430.8082小路0.41900.19060.46030.46470.81580.33400.88510.8183

地物對像控點精度的影響有兩方面：一是不同的植被覆蓋對GNSS信號的遮擋導致部分地區點位測量出現偏差；二是不同特征點的地物在航空影像上刺點位置的判讀出現偏差。布設在公路上的控制點由于在刺點圖、航空影像上判讀精準，其精度較高。布設在小路等的控制點，由于條件限制，精度較低。

5 結束語

本文通過對無人機低空攝影測量系統的分析以及無人機航測數據的處理分析，得到以下結論：

1)結合POS數據通過光束網區域平差，得到的空三加密成果滿足項目所需的1∶2 000地形圖測繪的要求。說明低空無人機攝影測量可應用于測繪大比例尺地形圖，為測繪大比例尺地形圖提供參考借鑒。

2)地面控制點的選取對空三加密的精度影響較大，控制點布設區域的地形、植被覆蓋以及控制點所處的位置都對控制點的精度有直接影響，因此在選擇控制點過程中應充分考慮上述因素。