影響多旋翼無人機大比例尺測圖精度原因的分析與探討

宋曉紅

（河南省測繪地理信息局信息中心，河南 鄭州 450008）

1 引言

大比例尺無人機測繪是當前行業發展的一個重要趨勢。 它可以更加機動、快速地進行應急測繪和測繪成果的實時更新，相比數字化測圖能有效降低勞動強度，提高效率，在一定程度上降低成本；相比于大飛機航測，更加靈活，使小范圍航測變成可能，成本更低；相對于固定翼無人機而言，多旋翼無人機操作簡單，安全系數高，且帶有小型云臺，更有利于大比例尺測圖。 多旋翼無人機航測具有先天優勢，如果在環境（風力、晴空）良好的情況下，精度相對會提高很多，可以用來嘗試1：500 地形圖的測繪。但是，多旋翼無人機航測畢竟還處于發展階段，由于硬件以及不規范作業的影響，精度基礎比大飛機航測要差，影響因素更多。下面就影響多旋翼無人機大比例尺測圖精度的幾個因素和解決方法進行簡單介紹。

2 影響多旋翼無人機大比例尺測圖精度的幾個因素

2.1 航攝相機的成像質量影響

多旋翼無人機大比例尺測圖精度影響最大的因素是其搭載的航攝相機。因受多旋翼無人機載重量的限制，大多搭載的是重量較輕的非量測型相機， 常用的有佳能5Dmark2、 佳能5Dmark3、索尼A7R 等。 非量測型相機的畸變差可以分為系統畸變差和隨機畸變差，其中，光學成像系統引起的畸變和CCD 縱橫方向排列的不垂直性引起的畸變差呈現一定的系統性， 表現為系統誤差；而CCD 組件引起的電學畸變以及空間排列不均勻有較強的隨機性，表現為隨機誤差。 非量測型相機相對專業量測相機而言，由其鏡頭和CCD 陣列引起的光學畸變較大，其徑向畸變差和偏心畸變差對后期成圖精度影響較大， 如果不進行影像畸變糾正，成圖精度不能滿足大比例尺測圖要求。光學畸變差是影響像點坐標質量的一項重要誤差， 是影響多旋翼無人機大比例尺測圖精度的主要因素， 其航拍影像必須經過處理糾正后才能應用。

2.2 曝光方式和航飛方法影響

多旋翼無人機航攝時的飛行方法及曝光方式也是影響大比例尺測圖精度的因素之一。 不論是固定翼無人機還是多旋翼無人機，由于其尺寸較小，抗風能力較弱，在航飛的時候，很難保證攝影航片的航偏角和傾角滿足航測測圖規范的要求。 固定翼無人機搭載有簡單的GPS 和POS，但其精度較低，航攝的時候很難保證曝光點的準確位置，并且大都沒有搭載云臺，更難保證攝影時的姿態滿足要求。 多旋翼無人機也一樣，飛行中很難保證曝光點的準確位置，雖然搭載有云臺，但在其向前飛行時，其傾角較大，云臺改正效果不理想，且不穩定，拍出來的片子邊緣模糊，影響航測成圖精度。

2.3 像控布設方法影響

由于無人機航空影像像幅小，航片之間的重疊度大，基線長度較短，與常規航片比較，在同等面積情況下，無人機像片無論是航線數還是像片總數，都遠遠大于常規航片。 依據原航空攝影測量規范布設野外像片控制點，則外業工作量成倍增加。 滿足測圖精度要求的像控點布設方案， 是利用無人機航攝影像測繪地形圖的關鍵。

2.4 后期數據處理影響

相對于有人機而言，無人機的小像幅，重疊率高，造成了相片數多， 后期處理內外業工作量大。 處理方法直接影響成圖精度，一方面外業控制量翻倍增長，另一方面內業處理也相應地增加，采集調用的模型數也成倍增長。 此外，無人機相片存在航偏角較大的問題，作業員在立體觀測時會產生頭暈、惡心等反應。相關單位做過實驗， 當觀測航偏角在18-25 度的大旋偏角立體模型時，作業員可能會產生強烈的不適感，甚至嘔吐，不能長時間持續作業，導致作業人員數據采集不準，影響成圖精度。

3 多旋翼無人機大比例尺測圖精度影響因素的解決方法

3.1 原始航片畸變糾正

非量測數碼相機不是專門為量測目的設計的， 其畸變性能與量測攝影機的畸變性能不完全相同。 常規的攝影測量方法采用建立數學畸變模型實現對畸變差的自檢校改正， 但這種方法忽略了隨機因素引起的數碼相機的畸變差。 而建立面積不同的準二維控制場，測定各類成像系統每個像素的總畸變，建立該影像專用的數字畸變模型， 以對各類成像系統各個環節產生的各種畸變進行總體補償，是一種不區分系統誤差和隨機誤差，對各種畸變一起改正的方法。 采用數字畸變模型糾正畸變差的本質是糾正像素點的總體畸變， 而不區分畸變的來源是系統誤差還是隨機誤差。 采用數學模型糾正畸變差則認為相機產生的畸變是由系統誤差引起的。 數字畸變模型的畸變差糾正精度與數學模型的畸變差糾正精度接近，但存在微小的偏差。 一般無人機的數碼相機的畸變差主要是由系統誤差引起， 只在邊緣點處存在很小的隨機畸變， 用常規的數學畸變模型進行畸變糾正就能滿足要求。 目前市場上已有比較成熟的原始航片畸變糾正軟件，如航天遠景的FlightMatrix，四維空間數碼的PixelGrid，都帶有糾正航片畸變的功能。

3.2 飛行線路及曝光方式設置

針對無人機航攝存在的缺點， 結合多旋翼無人機可以懸停的特點，在設置飛行線路時可以嚴格按照航攝航線要求來布設。同時可以降低多旋翼無人機的飛行速度， 用以提高曝光點坐標精度。 同時在曝光點設置4 秒左右的懸停時間，多旋翼無人機在這幾秒當中調整飛機的姿態， 使之能夠最大限度地滿足相機的參數調整， 直到完全滿足曝光條件才進行拍攝， 相當于靜止拍攝。 這樣即可克服固定翼飛機運動飛行中拍攝姿態不穩、邊緣發虛的缺點，最大限度地提高拍攝質量，從而克服由此帶來的精度損失問題。

3.3 像控布設

多旋翼無人機航空影像像幅較小， 航片之間的重疊度也比較大，基線長度較短。 為提高成圖精度，須提高像控點的分布密度、增加數量、提高聯測精度。因此，多旋翼無人機像片控制點宜采用全野外布點的方式， 也可用提前布標靶的方式提高像控點的精度。

3.4 后期數據處理

無論是固定翼還是多旋翼無人機航測成圖， 其隨機配備的后期數據處理軟件大多都是用來獲取DOM 和DEM 的，如PHOTOMOD、PixelGrid-UAV、PIX4D、INPHO 等， 基本上很少能夠進行測圖。 大比例尺測圖的軟件基本上還是JX4、VZ、航天遠景這些常用的攝影測量工作站。 多旋翼無人機原始影像經畸變糾正處理后，即可在攝影測量工作站進行空三加密，生成立體像對，在模型上進行測圖。

4 結語

影響多旋翼無人機大比例尺成圖精度的原因有多個方面，本文就其主要的4個方面的原因進行簡單探討， 也給出了改進提高旋翼無人機大比例尺成圖精度的方法。不足之處，請廣大讀者批評指正。

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