無人機攝影測量誤差分析

(成都理工大學 四川 成都 610059)

隨著我國對及時獲取多種復雜的地形與氣候條件下精準的地理信息數據的要求，通過在技術上的不斷創新，我國自主研發的無人機也不斷問世，漸漸地成為傳統航空攝影測量手段的有力補充。隨后許多學者對其軟件系統進行實驗和研究，將UAV應用于接受電視廣播信號，同時與攝影測量技術相結合，慢慢應用于各個遙感領域中，例如精準農業、應對緊急情況突發事件、海洋環境的快速評估、科學研究和交通管理等領域。

一、無人機攝影測量誤差來源

由于無人機攝影測量系統的平臺不容易操作，其容易受到空中氣流的影響，造成航帶偏移，飛行軌跡會發生不可控的改變，存在著像幅小、數量多、基高比小、影像傾角過大等問題，影像的傾角很大并且無規律。此外，由于無人機的傳感器采用的非量測CCD數碼相機會產生畸變差，其會給后面的空中三角形測量帶來誤差。無人機攝影測量誤差來源歸納起來有以下幾個因素：

相機畸變差：目前選用的傳感器是CCD非量測數碼相機，由于其感光單元的非正方形因子和非正交性以及畸變差的存在，加固改裝以后的相機獲取的航片存在著很大的畸變差，畸變差的存在使得后續步驟不能滿足精度要求[1]。

像控點布設方案：由于人的感官能力有限并且不同，技術水平參差不齊，對于測區的認識程度不一樣并且存在的工作人員態度好壞的問題，使得像控點的布設方案對于測區整體的控制會產生誤差。

刺點精度：由于固定翼無人機像幅小，所以其可以供選擇的像控點的點位位置范圍相對較小，經常會出現在航片中找不到明顯的好刺的地物，尤其是在荒野地區。像控點是否明顯、鋪設是否合理、影像反差是否理想以及刺點人員的認知都是制約刺點精度的因素。

飛行姿態：由于氣候等外界因素具有不可控性和不確定性，天氣狀況會對無人機的飛行姿態和成像質量造成影響，具體表現為飛行姿態的不穩定會導致飛機的三個外方位角元素(航向傾角、旁向傾角、像片旋角)很大且沒有規律。

同名像點匹配精度：同名像點匹配也叫提取連接點，其基本原理是根據相鄰像對特征點及其周圍點的灰度值來提取連接點。連接點提取精度較低會影響相對定向元素以及外方位元素的計算；連接點提取精度太高會導致迭代次數增多，數據處理效率降低。

二、試驗方案

由于已經提出無人機攝影測量系統精度影響因素，所以在本次試驗中，共提出了五套試驗方案來驗證所提出的這些因素。

A方案：在編輯相機文件輸入相機參數時，第一次以航片不存在畸變差為基礎輸入相機參數，即像主點坐標平移(X，Y)，徑向畸變系數K1，K2，K3，偏心畸變差P1，P2均為0；第二次以航片存在畸變差為基礎輸入相機參數，即按照“易檢校“的檢校結果輸入相應的像主點平移以及畸變系數。通過比較兩次不同相機參數所得到的正射影像圖的精度驗證相機畸變差對正射影像圖精度的影響。

B方案：本次測試根據外業像控點布設的稀疏設定了4個方案。方案一:4個控制點，測區四角各1個;方案二:兩排控制點，上下各3個控制點，共6個控制點;方案三:三排控制點，上下各3個控制點，中間兩個控制點，方案四：測區四個角各1個點，中間兩個點。評價一個測區平差結果主要看檢查點和加密點的精度。

C方案：分別選擇兩位熟悉、不熟悉刺點流程的外業人員進行刺點，通過比較不同刺點精度下的平差報告結果驗證刺點精度對正射影像圖精度的影響。

D方案：由于無人機的重量較小，容易受到氣流的影響導致飛機的飛行姿態變化很大且沒有規律，此次的試驗方案是使飛機在不同的天氣的情況下進行航飛。

E方案：采用不同的連接點提取精度，通過兩次的平差報告來驗證連接點提取精度對正射影像圖的影響。

三、結果與分析

(一)相機畸變對成圖精度影響的分析。通過檢查點的比較，可知未經過畸變差改正所成圖的精度很低，越靠近航片邊緣的地方存在的誤差越大，這樣的規律符合徑向畸變差的計算公式。因此每次航測之前進行畸變差改正是必不可少的。

(二)像控點布設方案對成圖精度影響的分析。成圖精度隨著像控點的增加會有一定程度的提高；通過比較方案二、四可知在像控點數量一致的情況下，像控點點位分布的合理性對成圖精度也有影響；通過比較方案三、四可知在滿足精度的前提下，應盡可能地減少外業測量像控點。

(三)飛行姿態對成圖精度影響的分析。由于第一測區航測當天風速為5級，導致飛機pose數據中3個角元素變化很大；第二測區航測當天為微風，飛機pose數據中3個角元素相對穩定，根據pose參數以及計算的方差可以得出第一測區飛機飛行姿態不如第二測區飛機飛行姿態穩定，三個外方位角元素變化很大且沒有規律。

(四)同名像點匹配精度對成圖精度影響的分析。在同名像點匹配精度較低的前提下，檢查點的(X、Y、Z)偏差在1米以上，且其對于高程的誤差大于對于平面位置的誤差。造成這種現象的原因是由于同名像點匹配精度很低，導致很多同名像點沒有正確的匹配成功，導致在計算相對定向元素時相鄰照片的相對位置與實際存在偏差，影響了相對定向元素的計算，進而影響絕對定向外方位元素的計算，最終影響成圖精度。

四、結論

(1)畸變差的存在使航片產生變形，尤其對于航片的邊緣點，其引起的誤差可以達到20-40個像素。因此，航飛前必須進行相機檢校，只有經過畸變差改正的航片才能用于空三解算。(2)低空攝影測量空三解算通常采用迭代平差，解算前需要輸入姿態參數初始值(通常都為0)，因此飛行時應盡量保證無人機的穩定性，減小各種姿態角值，保證成果質量。(3)基于實測數據比較分析了不同像控點布設方案的成果質量，結果表明：單一架次像控點數量應大于6個，具體工程中，應根據測區大小科學合理地選擇像控點數量和位置。(4)像控點應選擇特征明顯、地勢平坦的點，空三解算時需準確刺點。