大疆精靈4RTK參數設置對航測繪效率影響的分析

孔銳 廣州海事測繪中心

2018年6月，大疆發布精靈4 RTK無人機，將厘米級導航定位系統與1英寸高性能成像系統相結合，集成在單人背包可攜帶的小巧機身中，再配合簡單易用的航線布設與飛控軟件，在提升航測效率與精度的同時，大大降低了作業難度和成本，真正讓航空攝影測量走進一線測繪職工中。

近年來，隨著大疆產品線逐漸向更加便攜的御系列傾斜，在目前可見的未來，大疆何時能推出精靈4 RTK的換代產品依然成疑，如何最大限度使用好現有產品，提高生產效率，仍然是當下應用的重中之重。

1.測繪模式參數對測繪效率的影響

1.1 飛行高度

飛行高度決定了地面采樣距離，即最終成果精度。精靈4 RT K的地面采樣距離（G SD）計算公式為(H/36.5) cm/pixel，H 為飛行器相對于拍攝場景的飛行高度（單位：米）。2D正射、照片比例條件下飛行高度與拍攝范圍關系見表1。

飛行高度與測線距離等比變化，是影響測線距離的直接因素，但由于飛行高度通常由項目精度確定，下文將飛行高度作為影響因子同時參與各項對比。

1.2 飛行速度

航線規劃中的飛行速度可以自行調節，軟件只限制最大飛行速度，按飛行高度區間遞增。

從最低飛行高度25m起，飛行高度每增加13m，最大飛行速度增加1m/s，最大增加至13 m/s后就不再增加（見表2）。這一規律是按照最大連拍速度不超過0.4張/秒進行設計。

飛行速度的變化只影響飛行時長，并不影響航線距離及拍攝張數，由于飛行速度已經根據高度設置上限，通常選擇最高飛行速度最省時。

1.3 旁向/航向重疊率

精靈4 RTK的相機云臺只能向前方和下方轉動（俯仰：-90°至 +30°），在任何模式下相機都沿飛行方向進行拍攝，即航向重疊率只與照片的縱向實際距離相關，旁向重疊率只與照片的橫向實際距離相關。

按照系統默認航向重疊率80%，3D/2D旁向重疊率80%/70%計算，在不同飛行高度下的理論數據見表3。

在實際規劃中，精靈4 RTK自帶規劃軟件DJI GS RTK大致按照理論數據設計，但大疆選擇了更有規律的定量取整設計，更加方便計算。

由于航向重疊率只影響拍攝張數不影響飛行距離，主要來看旁向重疊率與測線間距的關系。在默認3:2畫幅下，無論選擇何種模式，系統規劃的測線間距只與飛行高度和旁向重疊率有關。常用高度、旁向重疊率關系見表4。

在100m飛行高度80%旁向重疊率條件下，測線間距為30m。保持飛行高度不變，重疊率與測線間距成反比，重疊率每增加/減少5%，測線間距會在80%重疊率的測線間距基礎上減少/增加?；在重疊率不變的情況下，飛行高度與測線間距等比變化。

即測線間距的計算公式為：

S=H×(100-R)×0.015

S為測線間距（單位：米），H為飛行器相對于拍攝場景的飛行高度（單位：米），R為旁向重疊率（單位：%）。

通過對比可知，系統設計的測線間距實際是參照2D正射模式下的理論測線間距。上文公式中的常數0.015，是由5472（橫向有效像素）÷36.5（地面采樣距離計算常數）÷10000計算得來。

1.4 云臺角度

在進行3D傾斜攝影測量時，云臺角度會影響照片的縱向實際距離，進而影響同等重疊率下拍攝兩張照片的理論飛行距離。但由于理論距離不存在可操作性，DJI GS RTK APP并沒有將云臺角度與拍照數量掛鉤，云臺角度只影響測線邊緣的長度。

云臺角度越大，無人機在同高度下拍攝到有效范圍所需的距離越遠，測線兩端的長度就會越長。

表1 飛行高度與拍攝范圍關系

表2 飛行高度與速度關系

表3 不同高度下測線間距與拍照距離

表4 測線間距與旁向重疊率關系

以飛行高度100 米為例，云臺角度選擇-45° 時，會比默認的-60°單條測線長100×(tan45-tan30)×2=84.53米。

反映到具體項目中，測線越多、單條測線越短，調整云臺角度對工作量的增加幅度越明顯。但對于橋梁、高樓等高差較大的地物進行測繪，調節云臺角度可以有效降低飛行高度提高測繪精度，云臺角度也要根據實際選擇。

1.5 照片比例

精靈4RTK 在各模式下均有兩種照片比例3:2和4:3可供選擇，兩個比例下的照片最大分辨率為5472×3648（3:2）、4864×3648（4:3）。由于精靈4 RTK的影像傳感器為原生3:2畫幅的1英寸傳感器，4:3畫幅實際是在3:2畫幅基礎上裁切兩邊獲得的，在橫向分辨率上，4:3畫幅只有3:2畫幅的8/9，反映到測線間距上，選擇4:3畫幅的測線間距也只有3:2畫幅的8/9。

實測4:3畫幅200米正射70%旁向重疊測線間距80米，80%旁向重疊率間距53.3米，90%旁向重疊率26.7米，均為同參數下3:2畫幅測線間距的8/9。

由此可知，3:2畫幅會比4:3畫幅測繪效率更高，在沒有特殊需求的情況下，默認3:2畫幅即可。

1.6 測線角度

除了各種可量化調節的參數外，DJI GS RTK 還有一個可調節的選項，即測線角度。

以一個測量范圍長寬各約1000米，飛行高度100米，總面積1.002平方公里的3D井字測量項目為例，選擇不同的測線角度，預計拍攝張數會從最低4472張到最高4816張變動，預計飛行時間也會從205分10秒到218分49秒相應變化，差距達6.2%-7.1%，對于大范圍測繪來說頗為可觀。

以理論情況計算，一個長寬各為1000 米的正方形區域，測線間距90米的正射飛行，當測線平行于區域邊界時，測線在測區范圍外各延伸100米，單條測線長度1200米，測線數量為13條，總長15 6 0 0米。而如果測線角度旋轉45°平行于對角線時，測線數量為17條，測線總長度為(1000×√2+100×2)×17-180×2×(0+1+2+3+4+5+6+7)=17361.63米，不僅飛行距離更長，多出的幾個調頭也會大大增加飛行時間。

通常來說，在不考慮單條測線距離過長的因素時，測線角度盡量平行于測區范圍最長的邊可以獲得最短的飛行距離和飛行時間，對外業內業處理均可提升效率。

2.結語

在固定航高的情況下，測線盡量平行于測區范圍最長的邊，單條測線長度控制在1-2km，選擇最大飛行速度、3:2照片比例，會最大限度提升作業效率。旁向重疊率是影響測線總長度的最大因素，而云臺角度對于測線總長度的影響很小。

在盡量優化航線參數的同時，結合選擇適當的測繪模式可以事半功倍。例如實際測繪中，高樓、山丘等帶來的地形劇烈變化會極大影響旁向重疊率，飛低容易造成空三失敗、飛高則很難保證模型精度，以往通常都采用多航高分片飛行的方式，布線飛行都耗時耗力。此時先以大航高對測區進行一次簡單航拍，進行快速的內業處理生成粗略的地形，再導入DJI GS RTK使用仿地飛行模式規劃航線，可以最大程度的減少飛行工作量和后期內業處理時間，精度、分辨率也能得到很好的保障。而對于大測繪范圍使用大區分割、對于起伏岸線使用變高航帶、對于橋梁建筑物使用斜面航線等，都可以有效提高工作效率。