無人機低空攝影在面積量算上的可行性分析

李克

摘要： 該項目以不同航高的外業(yè)實測影像數(shù)據為研究對象，圍繞無人機低空攝影測量技術的特點、攝影外業(yè)控制測量方法、無人機施測方案等對無人機低空攝影測量技術在面積量算上所能達到的精度水平進行分析，尋求找到一種速度快、精度高的面積測量方法。

Abstract： In this project， the measured image data of different aerial surveys are taken as the research object. Focusing on the characteristics of UAV low-altitude photogrammetry， photogrammetry field control surveying methods and UAV surveying scheme， the level of accuracy that can be achieved of low-altitude photogrammetry on an area calculation is analyzed， and a fast and accurate area calculation method is obtained.

關鍵詞： 無人機；低空攝影測量；面積量算

Key words： UAV；low-altitude photogrammetry；area calculation

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）06-0164-03

0 引言

在許多經濟建設部門的測繪工作中，常需要測定某一區(qū)域任意多邊形的面積。比如說在農業(yè)生產中，土地面積的測量是農業(yè)生產的基礎，它是農業(yè)生產經營管理中最基本的數(shù)據之一，土地面積的大小是進行合理規(guī)劃、耕種和計算所需的種子和肥料的基礎，同時也是農業(yè)機械化設備進行田間作業(yè)、計算工時和收費的主要依據。在水利行業(yè)中，計算水庫中的水容量所需的一個可靠的數(shù)據就是水域面積，水域面積的準確測量有助于準確地了解水庫中水的庫容量，為在洪澇或者干旱時期的蓄水和排水提供有效而又可靠的依據，面對這些面積量測工作，采用傳統(tǒng)的數(shù)據采集方法雖然數(shù)據采集精度高，但測量速度慢、外業(yè)工作勞動強度大而且危險性較高，因此本文采用無人機低空攝影測量方法采集測區(qū)面積并通過測量結果精度研究該方法的可行性。

1 無人機選擇

考慮到大型航攝平臺系統(tǒng)本身的復雜性，無人機低空攝影測量最常用到的空中操作平臺是固定翼和多旋翼無人機。固定翼無人機起降場地要求高。飛機包裝箱大不方便外業(yè)運輸、固定翼操作學習復雜，飛行遠，危險系數(shù)高不適合該項目實驗，而多旋翼輕小型無人機具有可在空中懸停、航速較慢、起飛和著陸方便，對場地沒有特殊要求、成本低、機動性高等特點，這些特點決定了其在許多領域具有獨特的優(yōu)勢。多旋翼輕小型無人機應用于低空攝影測量領域，也是近年來攝影測量的一大研究熱點。但是由于該種無人機存在容積小、有效荷載小等特點，只能攜帶體積較小的非量測性普通攝影機，并且穩(wěn)定性差、受外界環(huán)境影響大。相對于傳統(tǒng)航空攝影測量技術來說，想要利用輕小型無人機達到高精度的測量結果基本上是不可能的。因此在實驗中我們只利用這種多旋翼輕小型無人機進行面積測量，同時為了驗證實驗結果的可靠性，在實驗中我們采用兩種不同價位的多旋翼無人機，騰云智航IflyD6（22萬）和大疆Phantom4 pro（1.5萬），其中騰云智航IflyD6在飛行高度、抗風能力、相機像素上相對于大疆都有比較大的優(yōu)勢。

2 外業(yè)控制測量

2.1 測區(qū)概述

①測區(qū)地理位置：河北省遷安市華北理工大學遷安學院數(shù)字測圖實習基地，東至燕山大路，西至濱湖東路，北至惠興大街，南至遷安職教中心。占地面積約為0.93平方公里。

②測區(qū)氣候特點： 該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風性氣候，春季風多雨少，蒸發(fā)量大，夏季高溫高濕雨水集中、秋季風速較大，冬季霧霾天嚴重， 全年雨量集中在7、8兩個月。根據實際氣候條件，拍攝時間定于6月份。

2.2 攝影外業(yè)控制測量方案

外業(yè)控制測量由基礎控制測量和像控點聯(lián)測構成。像片控制點有三種類型可供選擇，即平面控制點、高程控制點和平面高程控制點，因為該項目主要研究面積測量的精度，所以布設的控制點主要是平面控制點，各控制點的布設應滿足全測區(qū)統(tǒng)一布設、統(tǒng)一測量、成圖滿幅等要求，并選擇全野外布點方案，所用到的像片控制點均由外業(yè)測定。

根據項目內容，該項目布設控制點的布設要求不是很高，但要注意：①像片控制點盡量不要布設在像片邊緣。因物鏡鏡頭的分解力、感光材料的伸縮變形和投影誤差、傾斜誤差、底片壓平等因素的影響，使得像片邊緣產生的影像變形和像點移位，都比像片中心要大，并且影像邊緣部分清晰度差，導致像片控制點的判讀、刺點和量測困難。②為了適應不同航高的影像上都有足夠的像控點，要保證像控點要布設均勻并有足夠的數(shù)量，特殊情況下可以選取特征明顯的碎步。控制點選點要求：①安全性。便于安置儀器，考慮地面濕滑、來往車輛等對人身和儀器安全的影響。②實用性。點位間通視良好、便于測角量距。③便利性。導線點選好后須做好標記，便于尋找。

3 無人機施測方案

本次航空攝影必須選擇能見度大于1千米的碧空天氣或少云天氣，盡量保持各飛行架次氣象條件基本一致。正是施測之前要進行試飛試照工作，并及時分析處理試照的影像，為正式作業(yè)做好準備工作。 一切準備就緒后，等待合適的航攝天氣，對航攝硬件進行檢查維護，確保設備處于最佳狀態(tài)，待到能見度好，碧空無云的晴朗好天氣時，在不同航高下進行逐條航線的進行航空攝影工作，爭取在同一架次或相似的氣候條件下執(zhí)行航飛任務。對提交的成果影像要保證單張彩色像片影像清晰，能夠正確地辨認出各種地物，能夠精確地繪出地物的輪廓，相鄰的影像間相同地物色調基本一致，整個攝區(qū)的像片色調效果也要基本均勻一致。endprint

4 實驗結果分析

①實驗一：分別利用騰云智航IflyD6和大疆Phantom4 pro無人機在不同航高下對測區(qū)進行面積測量結果，考慮到做兩種無人機的對比實驗，而大疆無人機飛行高度適合于300m以下，超過該高度就會發(fā)生無人機信號失聯(lián)的情況，所以我們主要的實驗航高為100m-300m。由于IflyD6飛行高度可達3000m，這是實驗中增加該型號無人機的飛行航高。通過騰云智航IflyD6配備的正射影像處理軟件PIX4D，完成對影像拼接和正射處理并測從測區(qū)中選擇一塊綠化帶，在不同航高下測量綠化帶面積，利用全站儀數(shù)字測圖技術對該綠化帶測量的結果為1184.66m2，利用手持GPS測量結果為1165.10m2，假設全站儀測量結果為理論值，手持GPS相對測量精度為1.6%，表1為不同無人機不同航高下的面積測量結果對比。

實驗結果分析：通過該方案我們可以看出，由于IflyD6騰云智航IflyD6無人機的測量精度和測量結果的穩(wěn)定性要明顯高于大疆無人，并且隨著飛行高度的升高，測量相對精度逐漸降低，但精度降低不是很明顯，由在100-300m之間，相對精度發(fā)生起伏，也未呈線性分布，這與影像拼接、正射處理以及矢量化精度有一定關系，但整體來說，通過無人機進行面積量測，其測量精度要高于手持GPS的測量結果。

②利用IflyD6無人機在航高為300m處，對測區(qū)進行拍攝，研究并驗證測量面積的大小與測量精度的關系。同時與不進行影像配準，僅利用解析法進行面積計算得到的結果進行對比分析。

解析法步驟如下：

1）將航攝影像導入到CASS中，量測兩控制點間距離D1。

2）實地量測兩控制點間距離D2，計算影像比例尺D1/ D2。

3）對航攝影像矢量化，利用cass菜單中工程應用項實體面積計算計算測區(qū)面積S1。

4）航測面積= S1*（D1/ D2）2。

我們假設全站儀數(shù)字測圖采集的面積為理論面積，通過對矯正后的航片矢量化測得的面積為實測面積。測量結果見表2。

實驗結果分析：通過該方案可以看出利用無人機進行面積測量是可以采用解析法進行計算并且也能夠達到較高的精度，但當測區(qū)面積較小或較大時，精度會降低。

③實驗三：通過實驗一、和實驗二可以得出利用無人機進行面積測量可以得到較高的面積測量結果，但采用上述方法需要布設控制點，航片需要正射處理，圖像拼接，這就需要有專業(yè)技術人員來完成，如果不做以上工作，只利用無人機進行航拍，并直接采用解析法進行面積測量，那實驗精度是否也能達到比較高的精度呢，因此實驗三我們利用解析法對未進行處理的影像在不同航高下進行面積測量并和實驗二的數(shù)據進行對比，看該方法能否達到精度要求。

實驗結果分析：通過實驗三，可以看出航攝影像在不進行正射處理、不進行配準的情況下也能夠通過解析法得到相對誤差小于5%的精度，但這種方法由于省略了控制點布設、正射處理、影像拼接的步驟，只適用于區(qū)域較小，且獨立成塊的面積估算的。如果要進行大面積的水域或農田的面積估算，可以采用下載百度地圖、谷歌地圖利用解析法進行計算，不考慮遙感影像接縫處的誤差，經實驗該方法也可以得到小于5%的誤差結果。

5 結論

通過實驗我們可以分析，影響測量結果的原因大致有幾種：①像控點選取誤差；②控制測量與數(shù)字測圖成果誤差；③航攝影像處理誤差（拼接、正射處理、配準）；④影像矢量化誤差。這些誤差共同影響著最終的面積測量成果。所以無人機面積測量的精度并不是隨著飛行高度的升高而降低。利用解析法可以減小圖像配準產生的誤差，但該方法在精度上不是很穩(wěn)定，適用于飛行高度較低、測區(qū)較小時的面積量算，而直接利用航攝像片計算面積，適合于小面積的快速估算。

參考文獻：

[1]王妍，孔祥仲，賈世真，劉輝.無人機航空攝影測量系統(tǒng)在農村土地確權中的應用[J].測繪與空間地理信息，2015，08：114-116.

[2]盧曉攀.無人機低空攝影測量成圖精度實證研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2014.

[3]張平.數(shù)字正射影像的制作技術及問題探討[J].北京：測繪通報，2003（10）：28-30.

[4]陳姣.無人機航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖應用研究[D].云南：昆明理工大學，2013.

[5]GB/T 23236-2009，數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范[S].endprint