無(wú)人機(jī)航測(cè)精度提升方法研究

趙吉慶，蔡 鵬

（1 江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

（2 鎮(zhèn)江市無(wú)人機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，如何通過(guò)航天技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地球空間信息的快速、實(shí)時(shí)獲取，對(duì)于保障國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。 在此背景下，無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)的問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括無(wú)人機(jī)自身的改進(jìn)、無(wú)人機(jī)航拍圖像的精度提高、無(wú)人機(jī)航拍圖像的無(wú)縫拼接技術(shù)等。 在無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又研發(fā)出無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)。 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是一種綜合了低空航拍、傳感器、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的航空攝影測(cè)量技術(shù)。 相對(duì)于傳統(tǒng)的航空攝影方式，無(wú)人機(jī)的空中攝影系統(tǒng)能夠根據(jù)特定的任務(wù)需求，得到各種空間數(shù)據(jù)，然后根據(jù)獲取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，獲取4D 產(chǎn)品，是數(shù)字孿生的主要技術(shù)支持手段。 但無(wú)人機(jī)航測(cè)方式也存在著一些缺陷和問(wèn)題，比如由于無(wú)人機(jī)體積小、重量輕、易受氣流的影響使測(cè)量的精度無(wú)法滿足實(shí)際要求。 像控點(diǎn)的布設(shè)、飛行高度、重疊率、天氣因素和相機(jī)本身也同樣影響著航測(cè)精度。 航測(cè)精度受到影響后，后續(xù)構(gòu)建的三維模型的精度也會(huì)降低，所以研究提高無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的方法很有必要［1］。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)通過(guò)使用攝影測(cè)量軟件，將遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和圖像處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而獲得更加準(zhǔn)確、高效的測(cè)繪數(shù)據(jù)。 這種測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)和圖像獲取具有高效率和高精度等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性［2］。 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：

（1）無(wú)人機(jī)

在整個(gè)系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，是數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象，主要包括引擎、轉(zhuǎn)向器、飛控系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、位姿檢測(cè)系統(tǒng)、自回饋穩(wěn)定平臺(tái)等部分。

（2）傳感器

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中另一個(gè)重要的部分是傳感器。 航測(cè)系統(tǒng)中的傳感器可分為數(shù)碼照相機(jī)、紅外照相機(jī)、高光譜照相機(jī)等，用于高效地獲取影像數(shù)據(jù)。

（3）無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中也是不可或缺的一環(huán)。 在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中采用的通信技術(shù)為無(wú)線編碼正交頻分復(fù)用（ coded orthogonal frequency division multiplexing， COFDM）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送，并可進(jìn)行高清晰度的圖像傳送。 地面控制系統(tǒng)主要是利用無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)設(shè)定無(wú)人機(jī)的飛行路線，收集飛行參數(shù)，接收并監(jiān)視從任務(wù)傳感器收集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)參數(shù)來(lái)對(duì)飛行姿態(tài)和任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整［3］。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)影響因素分析

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備

無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備是完成無(wú)人機(jī)流程所必需的基礎(chǔ)條件，無(wú)人機(jī)航測(cè)的精度在一定程度上也取決于設(shè)備的優(yōu)良情況。 例如，如果無(wú)人機(jī)搭載的為非測(cè)量相機(jī)，其拍攝的照片會(huì)產(chǎn)生較大的畸變，尤其是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)時(shí)，這些會(huì)直接影響無(wú)人機(jī)航測(cè)的精度。 除此以外，無(wú)人機(jī)本身是否能夠正常飛行也是影響無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的重要原因［4］。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)影響

像控點(diǎn)是無(wú)人機(jī)航測(cè)中控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)。 因此，如何選擇適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行合理的控制，對(duì)于提高無(wú)人機(jī)的成像質(zhì)量至關(guān)重要。 像控點(diǎn)布局的科學(xué)合理能夠有效地提升成像精度，為實(shí)際工程提供有意義的參考；相反，不科學(xué)的像控點(diǎn)布局將導(dǎo)致成像精度下降，進(jìn)而影響項(xiàng)目的順利實(shí)施。

2.3 飛行高度的影響

無(wú)人機(jī)的飛行高度是影響無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的一個(gè)重要指標(biāo)，它不僅會(huì)影響航空攝影像元的尺寸，還會(huì)影響攝影圖像的幅面尺寸，進(jìn)而影響圖像合成過(guò)程中的交疊程度。 無(wú)人機(jī)的飛行高度越小、離地越近，精度相對(duì)越高；無(wú)人機(jī)的飛行高度越大，精度相對(duì)也就越低。 在進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)時(shí)，要根據(jù)地形、建筑物等因素選擇合適的飛行高度。

2.4 其他因素

天氣條件的改變會(huì)影響無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，也會(huì)影響無(wú)人機(jī)對(duì)圖像的采集。 光線會(huì)對(duì)圖像的曝光量產(chǎn)生影響。除此以外，無(wú)人機(jī)近距離飛行時(shí)，拍攝對(duì)象之間的明暗度差別會(huì)對(duì)相片的反差產(chǎn)生一定的影響。 當(dāng)中午時(shí)分照相時(shí)，就可分辨出天上和地上的差別［5－8］。 無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，會(huì)因飛行姿態(tài)的改變而產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)的側(cè)傾、旋轉(zhuǎn)等，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的失真或模糊。 這些都是由于無(wú)人機(jī)的低空飛行造成的。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)精度提高方法

3.1 提高像控點(diǎn)精度

像控點(diǎn)和無(wú)人機(jī)航測(cè)的精度密切相關(guān)，其精度直接影響無(wú)人機(jī)航測(cè)的成果精度。 所以提高像控點(diǎn)精度可以提高無(wú)人機(jī)航測(cè)精度。 像控點(diǎn)精度包括像控點(diǎn)的測(cè)量精度和像控點(diǎn)影像目標(biāo)精度。 利用GPS 進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，其精度在5 cm 以內(nèi)，可以滿足大比例尺成圖的技術(shù)要求。像控點(diǎn)圖像對(duì)象的精確性依賴于圖像紋理的豐富性。 當(dāng)圖像紋理很差時(shí)，圖像內(nèi)部旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的偏差會(huì)在2 ～3 個(gè)像素之間。 針對(duì)無(wú)人機(jī)航跡圖像重疊程度高的特點(diǎn)，通過(guò)先設(shè)置像控點(diǎn)，后進(jìn)行航跡拍攝，可以將內(nèi)部航跡定位精度提高到1.5 個(gè)像素以下，將像控點(diǎn)定位精度提高到0.1 m以內(nèi)，還可以解決圖像控點(diǎn)定位不均的問(wèn)題。 圖1 為制作后的像控點(diǎn)圖。

圖1 像控點(diǎn)圖

3.2 無(wú)人機(jī)相機(jī)的畸變糾正

針對(duì)無(wú)人機(jī)攜帶的非量測(cè)相機(jī)圖像失真嚴(yán)重、校正結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題，提出了改進(jìn)非量測(cè)相機(jī)失真參數(shù)的方法。一是通過(guò)構(gòu)建立體控制區(qū)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攝像機(jī)在飛行過(guò)程中的失真情況；二是對(duì)攝像機(jī)鏡頭進(jìn)行固定，以減少攝像機(jī)變形參數(shù)的改變對(duì)加密效果的影響。 具體的矯正方法是：首先，對(duì)普通相機(jī)進(jìn)行檢校，獲得相機(jī)的失真參數(shù)；其次，將普通的單反相機(jī)改造成專業(yè)的可測(cè)量相機(jī)，使檢校后的相機(jī)所拍攝的圖像轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的中心投影圖像；最后，通過(guò)對(duì)徑向和切向的畸變差進(jìn)行校正，并結(jié)合多個(gè)校驗(yàn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際誤差，得出利用最小二乘法對(duì)單反相機(jī)變形參數(shù)進(jìn)行逼近的結(jié)論。 通過(guò)上述方法的糾正后，可以將圖像的枕形畸變和桶形畸變進(jìn)行糾正，如圖2 所示。

圖2 畸變糾正

3.3 選擇合適的飛行高度

飛行高度對(duì)影像地面采樣距離（ground sample distance， GSD）的影響最大，它體現(xiàn)了像元與真實(shí)距離之間的聯(lián)系，而尺度則體現(xiàn)了影像中距離與真實(shí)距離之間的聯(lián)系。 飛行高度的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)航空攝影照片的畫(huà)幅產(chǎn)生影響。 當(dāng)飛機(jī)高度接近地面時(shí)，GSD 值較低，其計(jì)算精度也較高。 在起伏較大的區(qū)域，選擇適當(dāng)?shù)娘w行高度對(duì)于提高飛行精度具有十分重要的意義。

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提無(wú)人機(jī)航測(cè)精度提升方法的實(shí)用性，本文選取某高校作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行航測(cè)建模。 無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程采用大疆M300 無(wú)人機(jī)搭載P1 鏡頭。 P1 鏡頭經(jīng)過(guò)矯正，選擇80 m 飛行高度，校園內(nèi)布設(shè)8 個(gè)像控點(diǎn)，采集部分圖片如圖3 所示。

圖3 航測(cè)影像

獲得航測(cè)影像后，為驗(yàn)證本文所提出方法的有效性，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，之后生成正射影像，結(jié)果如圖4 所示。 從正射影像上可以看出，無(wú)人機(jī)航測(cè)精度較好，文章所提方法具有一定效果。

圖4 建模結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

隨著實(shí)景三維項(xiàng)目的推進(jìn)實(shí)施以及數(shù)字孿生理念的推廣，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 本文首先對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)的系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；其次對(duì)影響無(wú)人機(jī)航測(cè)的因素進(jìn)行了重點(diǎn)分析，包括相片傾角、像控點(diǎn)布設(shè)、飛行高度、天氣等因素；最后針對(duì)上述因素，提出了對(duì)應(yīng)的提高航測(cè)精度的方法，包括提高像控點(diǎn)精度、無(wú)人機(jī)相機(jī)的畸變糾正等。 利用本文所研究的方法進(jìn)行三維建模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法對(duì)提升航測(cè)精度具有一定的作用。