無人機航測精度提升的策略分析

李向可

（中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊，河南 信陽 464001）

1 引言

航測技術獲取的空間信息產品主要包括線劃地形圖、正射影像以及高程模型等，其獲取空間信息產品的主要方法是對其所采集的照片進行科學計算和嚴謹的后期處理[1]。隨著科學技術的不斷發展，無人機航測技術、傾斜攝影測量技術以及數字化航空攝影測量技術等全新的航測技術在2000年以后井噴式出現，為航測技術向著更高、更精、更尖方向發展奠定了基礎，也為測量領域注入了活力。無人機航測技術作為航空攝影技術不可或缺的一分子，因其航測效率高且具有較強的靈活性，受到了越來越多從業者的廣泛關注。但是無人機航測質量常受到采集照片的姿態差、尺寸小以及畸變大等不利因素的影響[2]。基于此，為了讓無人機航測技術盡最大可能地獲取最佳空間信息，必須要正確分析出這些不利因素對航測質量的具體影響，并采取積極有效措施來消除這些不利影響。

2 影響無人機航測質量的不利條件

2.1 飛行姿態的穩定性欠佳

無人機飛行姿態的控制方法主要有兩種，一種是無人機自身的飛行控制系統控制；另一種是無人機操控手遠程控制[3]。無論哪種飛行姿態控制方式都無法彌補無人機自重輕、機身慣性小以及機身受空氣流動影響大的基本事實，也正是受制于這種基本事實，無人機航測過程中的仰俯角度、旋偏角度以及側滾角度的變化幅度都要略大于傳統手段的航測技術。根據航測照片質量規范要求可知，航測照片的傾斜角度應小于5°，測量地區不處于困難模式下的最大傾斜角度應小于12°，而傾斜角度超過8°的航測照片數量應在總航測照片數量的10%以下。而無人機航測過程中所獲取的照片相應指標大多數情況下都會超出規范要求[4]。

2.2 航帶排列不整齊

因為無人機自身質量輕，在航測過程中飛行的無人機機身受橫向的側風、前進方向的逆風或者順風的影響較大。再加上無人機仰俯角度、旋偏角度以及側滾角度變化幅度較大的原因，無人機航帶排列不整齊，最直觀的表現就是航向重疊度和旁向重疊度的變化幅度較大，甚至有時會出現漏拍的情形。

2.3 旋偏角度與影像畸變均較大

無人機航測過程中時常會受到不穩定氣流和側風的干擾影響，在側風和不穩定氣流的影響下，無人機獲取的兩張相鄰照片出現旋偏角大于15°（根據規范要求，航測照片的旋轉角度不宜大于15°）的概率增加。

考慮到測量的成本，大部分無人機航測過程中搭載的相機都是普通的單反相機，其畸變量相對于專業的航攝儀來說肯定是較大的，搭載普通單反相機的無人機航測影像邊緣處畸變量可達到40像素甚至更高。

2.4 航測影像數量多且像幅小

通過前文的論述可知，無人機航測過程中會出現飛行姿態的穩定性欠佳、航帶排列不整齊以及旋偏角度與影像畸變均較大等不利情形，而在實際測量中為了規避這些不利因素，避免出現漏拍的情形，通常采取提高旁向重疊度或者提高航向的方法來實現目的，這種方法雖然可以大幅度降低漏拍的概率，但是因為無人機搭載的普通單反相機像幅小，如果要滿足重疊度的預定目標，就需要成倍增加測區內的影像數量，直接導致航測后期處理的工作量激增，降低了航測工作效率[5]。

2.5 模型數量多且基高比小

模型基高比的大小與相片的重疊度和像幅有密切關聯，當相片重疊度大且像幅小時，模型的基高比就越小，反之亦然。較小的模型基高比會導致航測圖的精度降低。此外，模型的數量多必然導致同比例模型數量變多，這就直接導致后期需要調用的模型數量增多，需要不停地在同類型模型之間進行反復切換[6]。如果按照傳統航測后期處理做法，如采用空三加密處理方法直接在測量區進行提點和轉點，會因為無人機航測影像的重疊度大小不一、影像排列不規則以及較大的旋偏角等因素，導致模型連接失敗、不同航帶間轉點失敗或者重疊度高的同名點變成重疊度低的同名點等不利情形出現，這些不利情形的出現直接導致了后期人工干預處理的工作量直線增加。例如，高山區的航測作業，其航測質量不佳，再加上高山地區地面紋理差等因素，如果不進行后期人工干預處理，采用空三加密處理方法根本無法自動實現提點和轉點。除此之外，如果不做后期干預處理，在無人機航測影像畸變大和模型基高比小的雙重作用下，空三加密處理的效果會非常差，特別是數字線劃圖的高程精度更低。

3 無人機航測精度提升的策略

3.1 無人機普通單反相機的畸變糾正

無人機航測精度提升最簡單且最直接有效的方法是對普通單反相機畸變進行糾正。具體的糾正措施是先對普通相機進行檢校來獲取相機的畸變參數，繼而將普通單反相機變成專業的可量測相機，這樣經過檢校后的相機所拍攝的照片就可以轉化為標準的中心投影影像。徑向畸變差改正模型的簡化公式見式（1）和式（2）：

切向畸變差改正模型的簡化公式見式（3）和式（4）：

式（1）～式（4）中，Δx為像點x坐標改正值；Δy為像點y坐標改正值；x為以影像中心為原點的像點x軸坐標；y為以影像中心為原點的像點y軸坐標；x0為像片主點x軸坐標；y0為像片主點y軸坐標；k1，k2，k3為徑向畸變差系數；p1，p2為切向畸變差系數；r為畸變點距離成像儀中心的距離。

根據上文的徑向、切向畸變差改正模型簡化公式，再加上大量的檢校場觀測點和目標點的實際偏差值，確定采用最小二乘法可以行之有效地計算出最接近單反相機真實畸變參數的近似值。普通相機畸變參數常用的檢校方法包括采用自動檢校場、室內和室外檢校場以及借助平板液晶建立檢校場。

3.2 精密像控處理策略

無人機航測空三算法采用主流的“光束法區域網平差”，對應像控布點方法為“周邊密集布點”方法。

基于光束法區域網平差的空三算法精度最薄弱的地方在測量區域的周圍，而測量區域的中心位置精度較高，這就使得在測量區域的周圍密級布控點位時，區域網空三測量精度不會隨著區域范圍的增加而改變；而在測量區域的控點較隨機稀疏分布，也就是布控點沒有更多分布在區域周圍時，當測量區域增加時，區域網空三測量精度降低。換言之，基于光束法區域網平差的空三算法高程精度與布控點之間的間隔有關，而與測量區域的大小無關。如果不考慮增加測量布控點來提高測量精度可以考慮增加航帶來提高測量精度。像控點設置原則除了上面闡述的特征外，還應當關注像控點布置的反差大特點和對稱分布特點。像控點的反差大特點是為了讓像控點和測量背景之間呈現出鮮明的對比，繼而可以準確、清晰地識別出像空點的位置。如果把被測量背景分成黑色和白色兩種顏色，那么像控點最容易清晰和準確辨別的狀態就是黑色背景上的白點或者白色背景上的黑點。例如，白色水泥混凝土路面上黑色瀝青線的交匯點或者是黑色瀝青路面上白色的道路標記。除此以外，一些人工建筑物等也是實際測量中可以實現反差大需求的重要特征點。像控點對稱分布是為了彌補空三加點被放大后在邊緣形成的像素灰色地帶這一缺陷，像控點對稱分布的前提是需要人工布置對稱分布像控標志，雖然增加了額外的測量工作量，但目前沒有其他更好的方法來處理這一問題，包括嘗試盡量讓像控點反差清晰和最實用最方正的像控點都無法處理邊緣形成的像素灰色地帶這一缺陷。

3.3 GNSS輔助處理策略

外方位元素可以采用POS輔助進行直接測量，通過POS輔助直接測量的策略可以將外業流程中最為耗時耗力的測像控點流程免去，繼而進一步簡化了航測作業流程，實現了航空攝影采集和測量內業成圖的無縫銜接。但是POS輔助整體質量超過了無人機平臺的負重能力，導致POS輔助系統中的慣導設備無法全部安裝在無人機平臺上，繼而導致部分POS輔助系統功能無法實現，也就無法全方位實現預定目標。而GNSS輔助差分技術已經實現了體積小、質量輕且功能全的特點，完全可以替代部分POS輔助系統設備安裝在無人機平臺上。基于此，將GNSS輔助安裝在無人機上來實現部分POS輔助的功能，通常情況下是將GNSS輔助功能中的低精度慣導設備安裝在無人機設備上，GNSS輔助差分作業的基本方法如圖1所示。

圖1 GNSS輔助差分方法簡圖

GNSS輔助差分測量的位置并不是傳統意義測量的像主點位置，而是GNSS天線的位置，所以在測量之前要準確測量GNSS天線與相機攝影設備中心的位置偏差，具體使用方式是依據天線位置、位置差和連續兩個曝光點之間的飛機姿態內插值進行改正，獲得準確的攝影瞬間像主點的空間坐標。地面像控點的設置數量在使用了GNSS輔助差分技術之后得到大幅度減少，但像控點數量的減少并沒有降低測量區域內的精度。

4 結語

無人機航測成果的檢驗環節同樣重要，通常采用地面上均勻分布的檢查點來檢驗航測成果的精度。無人機免相控并不是將所有地面工作都取消。相反，地面嚴格的質檢能力是無人機航測產品質量的保障。