無人機航測精度的影響因素初探

康偉偉

新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司 新疆 石河子 832000

引言

隨著我國經濟實力的快速提升，我國迎來了高速發展的全新時代，測量工程數量不斷增多，無人機測繪可以在實際的工程測量中得到更加準確的數據，還可以簡化測繪操作流程，有利于操作人員進行較高難度的測量工作，縮短工程的測量工期，提高工程設計的精確度。

1 航測系統組成及工作模式

無人機航測是在傳統航空測量基礎上的有力補充，也是目前社會中較為流行的勘探技術，主要由任務載荷系統和無人飛行器等系統構建而成，自身具有多項科學、先進的科學技術，突破了傳統的土地測試觀念，實現了無人飛行工作，主要應用在國土監察、土地資源開發、土地整治、新農村和小城鎮建設等方面，準確采集各地區土地環境和空間的信息。隨著時間的推移，無人機航測技術積累了豐富的實踐經驗，自身的安全性與準確性也得到了明顯提高，同時受到了社會各行各業的廣泛應用。無人機航測系統由無人機飛行平臺、飛行控制系統、航空攝影設備、數傳系統、圖傳系統、電臺、地面工作站等系統組成。目前無人機使用的定位技術主要有RTK模式和PPK模式，RTK模式主要是給飛控提供實時的高精度的位置、速度等信息，可完全達到免像控要求，這個對電臺的刷新頻率要求較高；PPK模式主要稱為動態后處理技術，與航測聯系更加緊密，需進行像控點測量。

無人機航空數字測量技術的應用優勢：從技術體系角度來講，無人機航空數字測量技術是建立在無人機的基礎上，與航空攝影測量技術體系共同構建的融合性技術方案，能夠結合當前的測繪工作需求，打造智能化的測繪技術。在當前的國土監察、工程測繪、應急災害處理等領域，都有較廣泛的應用[1]。從應用優勢角度來講，無人機航空數字測量技術具有較強的響應能力，在數據獲取以及分析的過程中有著較高的精準度，同時靈活性以及機動性較強，經濟效益較高。從實際應用的角度來講，由于無人機體型較小、自重較輕，可以有效應對人員無法進入的部分環境，從而提升數字測繪的有效性，進一步拓展工程測繪的范圍和內容。除此之外，無人機攜帶的數字設備具有較強的抗干擾能力，能夠有效應對多種不良環境，在惡劣環境下依舊有較高的測繪精準度。當前，無人機航空數字測量技術建立在信息技術全面發展的基礎上，其技術體系已經逐步豐富，能夠有效應對不同的測繪任務，具有較強的應用效率，且發展空間較為廣闊。

2 無人機航測精度的影響因素

2.1 像控點

像控點成果的好壞對無人機航攝測量的質量和效率有著至關重要的影響，其質量主要受到以下兩方面因素的影響：一是像控點布設的合理性，由于無人機航攝像片的畫幅比較小，相片數量比較多，需要大量外業像控點的支持，因此只有合理地布攝像控點，才能保證航攝測量的精度以及節約人力物力；二是像控點測量的準確性，在合理布設的基礎上，還需要通過GPS等常用測量工具對像控點坐標進行準確量測，使其精度符合行業標準。

2.2 天氣影響

無人機的飛行狀態會因天氣狀況而發生變化，一方面亮度影響圖像的曝光值，相鄰物體之間密度差也影響圖片的對比度，而反映圖像對比度的因素就是日光部分的亮度和陰影；另一方面無人機飛行狀態的改變導致測量時的側向傾斜度及旋轉角度，造成所拍攝的圖像清晰度不高甚至模糊。另外，由于無人機采用高度較低的低空飛行，與地面拍攝物體的相對速度較大，在曝光時成像表面上的物體圖像發生位移，會出現圖像偏移，影響圖像質量[2]。

2.3 鏡頭畸變

無人機航攝采用的相機一般為普通家用全畫幅相機，鏡頭畸變差大，尤其是鏡頭邊緣部分，這是造成三維模型精度不均勻的主要原因。所以為了提高精度，可以根據空中三角測量成果求得的相機畸變參數對相片進行畸變糾正，并加大航空攝影過程中相片重疊度。

3 無人機航測精度控制措施

3.1 像控布點方案和空三解算

目前，傾斜攝影空中三角測量仍大都采用傳統的POS輔助空三解算，其主要步驟包括連接點提取和光束法區域網平差兩部分。傾斜影像連接點提取一般采用的思路是：利用POS系統提供的多視影像外方位元素作為初始值，采用SIFT、ASIFT（尺度和仿射不變特征算法）算法來進行多視影像的特征匹配，獲取影像間的連接點。光束法區域網平差是空中三角測量的主流方法，算法理論嚴密、加密精度最高。該方法同樣適合多視影像的空中三角測量。利用ContextCapture軟件，可全自動進行空三加密解算。在Context Capture軟件中新建工程，提交影像數據第一遍空三運算處理，基于POS數據進行連接點提取，即相當于傳統空三測量的相對定向。在相對定向合格的基礎上，導入像控點數據，進行絕對定向和光束法區域網平差計算，從而恢復地物間的空間位置關系。

3.2 航攝作業過程

在進行無人機航攝作業時，盡量選擇晴朗的天氣，首先是充分考慮測區內障礙物的高度，并根據測繪精度要求，設置好飛行航高，保證飛行安全以及航片質量要求；其次應是綜合考慮作業時間、作業需求，合理設置航向及旁向重疊度，建議可適當增大重疊度的設置，以防止無人機由于偏航或航高的起伏變化導致重疊度不夠的情況發生；再次還需根據天氣情況、無人機飛行速度等，合理設置所搭載相機的快門速度、感光度、光圈大小等參數，才能避免航攝像片出現拉花拖影、曝光過度或者黑暗模糊等影響相片質量的情況；最后在無人機航飛結束之后，應打開相機，對所采集的航攝像片進行逐一檢查，檢查是否有不符合質量要求的照片，并根據其數量及涉及區域大小進行評估是否需要重新航飛采集。無論是多旋翼無人機還是固定翼無人機，都存在航飛速度慢、搭載相機的畫幅小的問題，因此無人機航攝測量的作業效率一直備受詬病，但多頻無線測控技術的發展使得采用多架無人機共同協作進行航測作業成為現實。在同一測區內，對每架無人機進行不同的航測區域及任務分工，在保證安全的情況下，多架無人機同時進行航飛作業。這樣的操作方式，縮短了影像的獲取時間，大大地提高了無人機航測的作業效率且極大地保障了測區影像的完整性。

3.3 模糊綜合評價理論

在創建模糊性問題綜合評價體系過程中，應全面考慮可操作性、整體性與全面性原則，主要由評語集、類別集與指標集等部分組成。評語集描述精度等級，影響建模精度因子，分為數據獲取與處理兩種類別。層次分析法在創建兩兩判斷矩陣階段，通常忽略了人為判斷的不確定性，指標權重是根據專家的經驗判斷，給出幾組模糊量，這些數值不能定量描述，計算三角模糊數改進指標權重，可以規避人為不確定性，解決不能準確度量的問題，加強評價結果的科學性[3]。模糊綜合評價法屬于模糊數學在實際工程中的應用，根本是利用經典數學工具，將模糊定性問題轉變成定量問題，隸屬度可以描述事物擁有某種屬性的程度，綜合評價指標因子包括連續型與離散型兩種，連續型就是變量的取值在某個范圍內全部的值，離散型就是變量的取值有限。連續型指標因子包括航高與航向重疊率，利用F分布法確定隸屬度。空中三角測量對于無人機傾斜攝影測量技術有至關重要的作用，計算精度和決定了三維重構模型結果，中誤差是主要的精度評價標準，計算公式為。

經過統計數據分析可知，傾斜空三精度的影響主要在邊角位置，監控控制點的密度點和傾斜影響空三精度息息相關。按照平面中誤差標準和高程中誤差標準評定實景三維模型的精度，參考各個檢查點的平面、高程中的誤差數據得出誤差直方圖，控制點的數量和模型精度呈正比，只增加控制單元無法確保模型精度的提高，控制點處在飽和狀態時，模型精度水平基本維持不變。構建實景模型之后，能夠生成直觀性較強的數據模型，在系統模型上得以開展，得到三維的地理坐標系，在這個模型的基礎上測量相關距離，通過比例尺進行測算，得出實際距離。三維建模的本質為實物的模擬呈現，只是近似模擬，同真實實物存在差異，所以無法全部顯現詳細信息，要借助評價指標衡量數據精度。

3.4 航拍影像數據的處理

在進行測量工作時，無人機遙感技術可以一邊收集數據，一邊處理數據，提升了測繪結果的準確性，使數據真實有效。目前，無人機遙感測繪技術在處理信息數據時，一般會運用數碼影像排列的方法，這就要求必須調整好無人機測量的角度，以免造成航拍影像堆疊、測繪數據圖像扭曲變形的問題[4]。基于此，在實際工作中，工作人員會在無人機的上方安裝數碼相機，通過相機的變焦鏡頭，從不同測量角度進行影像的拍攝，便于后續數據的處理。在進行數據分析時，工作人員可以使用具有獨立性質的實景三維建模軟件PhotoscanR進行分析，通過該軟件實現對實拍圖像的歸納和處理，準確定位圖像的具體位置和實際情況，并根據實際圖像形成3D空間的數據。

3.5 控制策略保障

常規無人機控制策略以及早期對無人機控制的嘗試都是建立在線性飛行控制理論上。為解決只需一些飛行試驗和飛行數據就能保證無人機飛行穩定的不確定性問題，模糊控制方法面向解決模型不確定性，在模型未知的情況下能確保對無人機的控制；神經網絡自適應控制技術能有效地解決多種不確定的、難以確切描述的非線性復雜過程的控制問題，其能提高控制系統的魯棒性、容錯性，且控制參數具有自適應和自學習能力。此外，為克服某些線性控制方法的局限，保障無人機的穩定飛行，模型預測控制是通過在每一個采樣瞬間求解一個有限時域開環的最優控制問題來獲得當前控制動作；自適應控制方法會隨著模型的不斷改善，由模型得到的控制作用也會跟著改進，具有一定的適應能力，但反饋控制復雜，成本很高。

3.6 精確航拍技術研究

獲得一個精準的傾斜攝影模型需要優秀的航拍技術。就飛行環境而言，無人機航拍需注意風力不宜超過3級、保證飛行器與控制器的GPS信號、飛行器電池電量、保證飛行器與周邊建筑及樹木的距離、限飛及限高等因素[5]。在拍攝手法上，航拍路線極為重要，“拍照模式”可選擇等間隔拍攝或等時差拍攝，需注意的是，“等距間隔拍照”中拍照間隔越短，飛行速度越慢，所需飛行時間越長，拍照數量不變；“等時間隔拍照”中拍照間隔越短，飛行速度越快，飛行時間越短，拍照數量越多，在確保電池電量情況下，增加拍攝照片數量，增加單次巡航航程，調高照片重復覆蓋比例，都能有效提高傾斜攝影模型的質量。針對體量較大的工程，如道路，在航拍每段工程時，應確保飛行高度一致、飛行區域大小一致，且相鄰兩端航拍照片有重合點。

4 結束語

綜上所述，無人機航測技術得益于社會發展和科學技術進步得到了大力發展，利用無人機航空攝影數字測繪技術進行測繪工程的技術創新，不僅能夠優化原有的測繪方式，而且可靠性、精準性、靈活性較強。將其應用到多種行業當中都可以取得令人矚目的成績，尤其是在工程測量當中的應用，不僅有效改善了傳統測量工作當中的弊端，還對工程測量工作進行了徹底的革新。