無人機航攝系統在灘涂高程測量中的應用研究

張金華

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072）

無人機航攝系統在灘涂高程測量中的應用研究

張金華1，2

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072）

從理論高程精度的公式推導出發，闡述了像素分辨率和基高比是影響理論高程測量精度的主要因素，指出了理論高程精度對航攝系統的選擇以及飛行參數的設計具有重要參考價值；進行了無人機航攝系統在灘涂高程測量中的應用試驗，結果表明，無人機航攝系統的實際高程測量精度可以優于±15cm；最后通過理論高程精度和實測高程精度的對比分析，指出影像質量、像控精度以及空三解算精度等因素的優化是實測高程測量精度進一步提升的關鍵。

無人機航攝系統；灘涂高程測量；基高比；地面分辨率

作為上海市灘涂開發和后備土地資源研究的重要內容，灘涂地形的監測一直是海岸帶地質環境監測工作的重要組成部分［1～5］。為保證灘涂地形的測量精度，目前，陸域灘涂地形的監測基本都是通過人工跑灘結合RTK測量的方式進行，上海市海岸帶的陸域灘涂以淤泥質底質為主，且其露出范圍受潮汐影響大，因此人工測量的作業效率比較低，安全風險比較大。

近年來，無人機（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）航空攝影測量系統因具有自動化、智能化、快速獲取等良好的性能被廣泛應用于高精度測繪、災后應急測繪、農村土地確權等測量領域。相比傳統航空攝影測量系統［6］，無人機航空攝影系統具有飛行高度低、像片的地面分辨率高等優點，目前該技術所取得的平面精度均能達到《低空數字航空攝影測量內業規范》中對其生產成果（數字線劃圖（DLG）、數字高程模型（DEM）和數字正射影像圖（DOM）的A類精度要求［7］，但是高程精度不達標的情況比較常見［8］。本文主要就無人機航空攝影測量系統在陸域灘涂高程測量中的應用可行性進行探討。

1　航空攝影測量理論高程精度

航空攝影測量指的是在飛機上用航攝儀器對地面連續攝取像片，結合地面控制點測量、調繪和立體測繪等步驟，繪制出地形圖的作業。其單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換，見圖1（a）。

由此幾何關系可知

其中，f為相機焦距，H為攝影航高，m為攝影比例尺，a為像元尺寸，GSD為像片的地面分辨率，即一個像元對應的地面尺寸。

圖1　單張像片的中心投影（a）和立體像對幾何關系（b）Fig.1　The central projection of single image （a） and the geometrical relation of stereo pair （b）

攝影過程的幾何反轉則是立體測圖的基本原理，見圖1（b）。由其幾何關系可以得到:

其中B為攝影基線，b為影像基線，lx為影像寬度，p%為航向重疊度，α為交會角，B/H為基高比。

假設像點的坐標量測精度mxy為1/k個像素尺寸，即：

以上我們推導了航空攝影測量的理論高程精度，從式（9）可以看到，攝影測量的高程精度與相機的像素大小、坐標量測精度、攝影高度、影像像幅、航向重疊率等因素相關。但是在實際作業過程中，影響航攝高程精度的還有影像的質量、像控的精度、空三的解算精度等因素，但是理論高程精度可以在飛行外業前計算得到，對選擇像素較小、影像像幅較大的航攝系統，優化設計攝影高度、航向重疊度等飛行參數有很好的參考和指導作用。

2　無人機灘涂高程測量應用

為了解無人機航空攝影測量系統在灘涂高程測量中的實際應用效果，本文選擇上海市橫沙島新吹填的灘涂作為試驗場地。該試驗場地主要以光灘為主，無植被覆蓋，范圍大小約為750m×750m，同時該區域設有RTK基站和若干平高控制點，有利于像控點和檢查點的布設。

2.1灘涂高程測量實際精度

本次試驗所采用的無人機航攝系統主要有天寶UX5HP和碳基藍鳥兩種，兩者采用相同的像控點布設方案，并布設了60個人工RTK測量檢查點對其高程成果進行比對，本次試驗所涉及的主要航攝系統參數、飛行參數以及高程比對結果見表1。

表1　試驗情況及高程比對結果Table 1　Test parameters and height comparison results

試驗區域RTK測量的平面精度優于±5cm，高程精度優于±10cm，根據以往人工RTK測量灘涂的數據，其高程精度為±5cm～±10cm。從表1可以看到，兩款無人機航攝系統的高程實測精度相當，雖然比人工RTK測量的精度低，但是高于1:500比例尺DEM生產成果±35cm的精度要求。

2.2灘涂高程測量理論精度

數碼像片的坐標量測精度mxy可以達到1/3～1/2個像素尺寸［9］，這里取1/k=1/2的像素尺寸作為像片的量測精度mxy。本文根據表1的參數和前面推導的相關公式，計算了地面分辨率GSD、影像基線b、基高比（B/H）、理論高程精度mh等因子，見表2。

在不考慮像片質量、像控精度、空三解算精度的情況下，兩款無人機航攝系統的理論高程精度均優于±10cm，在一定程度上反映了目前無人機航攝系統的高程測量水平。

表2　理論高程精度涉及的相關參數Table 2　The related parameters of theoretical elevation accuracy

2.3高程測量精度對比分析

相對傳統的航空攝影測量系統，無人機航攝系統的像幅小、基線短，基高比小［10，11］，但是其理論高程精度并不低，這主要是得益于其飛行高度低，像片的地面分辨率高。

天寶UX5HP的相機配置要比碳基藍鳥的高，像片的地面分辨率高，但是其航向重疊度太高，降低了基高比，影響了其高程測量精度。因此，從這個意義上說，航向重疊度也不是越高越好。

兩款無人機航攝系統的基高比相差1倍，但是兩者的理論高程精度和實際高程測量精度都比較接近，說明不能簡單地以基高比的大小來評判無人機航攝系統高程測量精度的高低。

通過兩款無人機航攝系統實際高程測量精度和理論高程精度的對比，可以發現，實際高程測量精度要遠遠低于理論高程精度，反映出像片的質量、像控布設精度、空三解算精度等因素對于高程實測精度的影響是很大的。如何提高影像質量、像控精度和空三解算精度，是提高實測高程測量精度的關鍵。

本次試驗中，像控點和檢查點的高程測量都是通過RTK實現的，這些控制點本身就有±5cm～±10cm的誤差，因此，這在一定程度上也影響了無人機航攝系統真實的高程測量精度。如果像控點的高程精度能進一步提高，獲得的無人機航攝系統高程測量精度會更加客觀。

3　結論與展望

無人機航攝系統的理論高程精度雖然只是影響實際高程測量精度的一個方面，但是其反映了航攝系統的高程測量精度水平，其最重要的意義在于能在航攝飛行設計階段為相關參數的選擇和設置提供有力的依據。

本次試驗表明，無人機航攝系統在地形比較平坦、無植被的灘涂區域進行高程測量時，其實測精度能達到優于±15cm的水平。但是本次試驗沒有對像片質量、像控精度等方面進行深入研究，因此，如果在這些方面能有所優化，如采用精密水準代替RTK技術進行像控點的高程測量等等，無人機航攝系統的高程測量精度有望會有進一步的提升。

無人機航攝系統雖然存在像幅小、基高比低等不足，但是其飛行高度低，像片的地面分辨率高，使其高程測量精度可與傳統航攝系統相媲美，甚至更高。因此，單從測量精度上講，無人機航攝系統也具有很廣闊的應用前景。

（References）

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A pilot study on the application of a UAV aerial photography system in the tidal flat elevation

ZHANG Jin-Hua1,2
（1. Shanghai Institute of Geological Survey， Shanghai 200072， China；
2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention， Ministry of Land and Resources of P. R. China， Shanghai 200072， China）

Firstly， we derived a formula for the theoretical elevation precision， based on aerial photography technology. This makes it clear that the image resolution and the baseline height ratio are the main factors that affect the theoretical elevation precision. It is pointed out that the theoretical elevation precision has great value for the selection of the aerial photography system and the setting of the flight parameters. Secondly， we conducted an experiment on the application of an unmanned aerial vehicle （UAV） aerial photography system in the tidal flat elevation. The test results showed that the actual elevation measurement accuracy of the UAV aerial photography system can be less than ±15cm. We also conducted a comparative analysis of the theoretical elevation accuracy and the measured elevation accuracy， and confirmed that the optimization of factors such as image quality， photograph-control points， measurement precision and aerial triangulation accuracy， are key to further improvement in the accuracy of elevation measurement.

unmanned aerial vehicle （UAV） aerial photography system； tidal flat elevation measurement； base to height ratio； ground resolution

P224

A

2095-1329（2016）03-0086-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.020

2016-07-28

2016-08-26

張金華（1985-），男，碩士，注冊測繪師，主要從事地面沉降測量研究及海岸帶地質調查與監測研究.

電子郵箱: tianwei713_@163.com

聯系電話: 021-56618218

國家公益性行業科研專項（201211009）；國家海洋地質保障工程項目（GZH201200506）