影響無人機傾斜攝影測量精度的因素研究

張 軍，申 靜，吳永春，楊軍義

（1.甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741025；2.甘肅省測繪工程技術研究中心，甘肅 天水 741025；3.甘肅省地質礦產勘查開發局第一地質礦產勘察院，甘肅 天水 741025）

自然資源部《2020 年自然資源部網絡安全與信息化工作要點》明確提出，將推進自然資源三維立體“一張圖”，完善自然資源三維立體時空數據庫建設。三維實景數據正在成為基礎地理信息的主要組成部分，這是無人機傾斜攝影測量技術發展的重要體現，也是該技術發展的機遇。本文在生產實踐的基礎上研究分析影響無人機傾斜攝影測量成果精度的主要因素，為相關生產實踐提供參考。

1 影響無人機傾斜攝影測量精度的因素分析

無人機傾斜攝影測量技術包含內外業兩個部分，外業航空攝影、影像控制測量，內業結算都會對成果精度產生影響，本文主要從無人機攝影測量相關硬件條件的角度進行分析，闡述影響無人機傾斜攝影測量精度的因素。

1.1 影響無人機傾斜攝影的因素分析

無人機傾斜攝影實施過程中的硬件設備包含無人機及數碼相機。無人機是載體，從攝影測量的角度出發衡量無人機性能的指標可歸納為三點：一是無人機航飛的穩定性，高穩定性決定了高質量的影像姿態；二是看無人機是否帶有高精度POS 采集模塊，高精度POS 數據會提高影像數據匹配速度及匹配的可靠性，提高內業數據解算的通過率及效率；三是無人機的續航時間，高續航時間可以大大提高外業工作效率。數碼相機是影像采集設備，目前應用于攝影測量的相機多為非量測數碼相機，將非量測數碼相機改裝應用于攝影測量從成本上降低了對于航空攝影的要求，但是非量測數碼相機的各項性能指標不能很好的滿足傾斜攝影測量的對相機的質量要求，影像質量不好導致后期數據處理的難度增加，也會降低測繪成果的精度。

普通數碼相機存在的主要問題：①普通數碼相機光學系統普遍存在像差，導致影像模糊、像場彎曲，且畸變參數未知，利用自檢校模型進行畸變糾正的糾正誤差較大；②由于鏡片材料對成像的影響，非量測相機可能出現“彩虹邊緣”（由于相機鏡片是曲面，光線經過鏡頭，由于不同波長電磁波的折射率不一致，導致影像邊緣產生“色差”），以上兩種因素會影響內業空三特征點匹配精度，也是出現空三分層的潛在因素；③目前所用普通數碼相機雖然像素有所提高，達到了航測規范的要求，但是像素并不能等于高質量的地面清晰度，數碼相機像元尺寸也是決定成像質量的決定性因素，像元尺寸大，感光度好且噪點的影響小，在光照條件不理想的情況下，同樣可以獲得高質量影像；④專業全畫幅相機的高動態范圍能夠確保高的畫面純凈度及曝光質量，而非量測數碼相機就很難到達這樣的航攝效果，導致外業航攝質量受天氣影響較大，制約了無人機傾斜攝影的優勢；⑤普通數碼相機針對人的感知設計，只要色彩接近人眼能夠識別的范圍就足夠了，但是航攝影像要用來進行數據計算，在保證畫面質量的條件下提供更多的色彩分辨信息有助于高精度的數據匹配解算，從而提高解算精度。

1.2 影像控制測量對于精度的影響

影像控制測量是攝影測量的重要環節，針對不同的航攝設備、航攝區域、航攝精度要求，可采用不同的像控點布設方案及控制點測量方法，這方面的技術在理論及實踐層面都是比較成熟的，本文不再重點累述。

1.3 內業數據處理過程中影響因素分析

目前用于無人機傾斜攝影內業數據解算建模的軟件較多，如smart3D、photoscan、大疆智圖、ContextCapture Master、重建大師等，通過大量實踐分析發現，各類軟件由于核心算法不同，導致其在數據解算速度、操作難易程度、解算成功率等方面的性能差距是很大的，本文不做具體評價。在數據處理過程中，相同的軟件處理同一數據，采用不同的處理步驟，也會影響解算的精度及效率，為了保障數據解算的成功率，建議不要將大量數據同時處理，分塊解算、合并建模是理想的技術流程。

2 提高無人機傾斜攝影測量精度的方法實踐

2.1 選擇高穩定性且帶高精度POS 系統的無人機系統

從目前的行業發展態勢來看，由于電動無人機在飛行安全、飛行穩定性方面有明顯優勢，所以搭載傾斜相機的無人機主要采用電動固定翼及旋翼機。由于旋翼機飛行速度較慢，像移影響較小，所以厘米級高精度影像獲取主要采用旋翼機。在大范圍傾斜數據獲取過程中，使用電動固定翼無人機，可發揮其續航時間長的優勢，提高作業效率。

利用普通數碼相機進行大范圍傾斜攝影測量，在內業數據處理過程中，會經常出現斷層、層面彎曲的現象，通過大量實踐研究證明，利用裝有高精度POS 系統的無人機獲取影像，結合高精度POS 進行空三解算，空三通過率明顯提高，所以高精度POS 采集系統也是衡量無人機性能的主要指標。

2.2 選擇無人機航攝專業數碼相機

文中（1.1 影響無人機傾斜攝影的因素分析）分析了目前各類數碼相機用于傾斜攝影測量存在的問題，基于這些特點，選擇無人機傾斜攝影測量用相機需要重點考慮以下幾方面內容：①選擇具有ED（超低色散能力）非球面鏡片的相機，傳統球面鏡片由于像差的存在，導致攝影光線不能很好地匯聚，影像模糊度較大，且影像畸變較大，如圖1 所示非球面鏡片與球面鏡片畸變差對比，如圖2 所示為非球面鏡片與球面鏡片成像模糊度對比。ED 鏡片可以很好的解決傳統鏡片（色差）造成匹配不準確的問題，如圖3 所示普通鏡片與ED 鏡片成像二次像差對比；②在條件許可范圍內，選擇大像元尺寸的全畫幅相機，本文以APS-C 傳感器與全畫幅傳感器做對比如圖4 所示，大傳感器能提供更廣的拍攝范圍，在減少影像數的同時，由于像元尺寸增加，可以使影像質量更優，表現為感光度高、噪點少、光照動態范圍變大、位元深度高，高的影像范圍及質量使內業數據解算的通過率及精度大大提高。

圖1 球面鏡片與非球面鏡片畸變對比

圖2 球面鏡片與非球面鏡片成像模糊度對比

圖3 普通鏡片與ED 鏡片成像二次像差對比

圖4 全畫幅與半畫幅CMOS 對比（示例2.3 倍）

3 總結

無人機傾斜攝影測量是目前高精度三維建模、數字化測圖的最主要方法，在實際作業過程中，無人機性能、數碼相機性能、控制測量方案、內業解算軟件及數據解算流程都會對測繪成果精度產生影響。數據解算方面對傾斜攝影測量的影響主要受制于軟件、作業員經驗及對專業知識的理解，硬件技術發展才是影響傾斜攝影測量技術應用的關鍵，在進行傾斜攝影測量項目實施前需要根據項目精度要求，選擇帶高精度POS 系統的固定翼或旋翼無人機，配合目前比較專業的無人機傾斜航攝相機，可以極大的提高項目實施的效率。