消費級無人機影像數據快拼精度分析

古學玲

摘要：無人機遙感是近些年快速發展起來的新興技術，低空遙感為測繪工作帶來了更快速靈活、簡單便捷的體驗。相對于專業級無人機而言，消費級無人機（UAV）具有快速便捷、機動靈活、易上手、性價比高等優勢，是獲取小區域4D數字產品的低成本生產方式。然而目前針對該類無人機影像處理及精度分析的研究較少，導致其進一步推廣受到一定影響。本文選用大疆精靈4PRO（Phantom-4-PRO）消費級無人機在航高200-300m所拍攝影像，對其處理精度進行分析，選擇Pix4D作為快拼處理軟件，經過數據準備與預處理、參數設定、空中三角測量、數據生成等多個步驟，制作出數字正射影像圖。

關鍵詞：消費級無人機（UAV）;快拼處理;空中三角測量;精度分析;厘米級

1 引言

無人機（UAV）遙感是近幾年新興發展起來的低空測量技術，應用領域已從軍事擴展到商用、民用市場（李德仁和李明，2014），用途也從最初的遙感測繪發展至如今的監測巡檢等。與傳統衛星及航空遙感相比，無人機獲取數據具有靈活便捷、上手快、成本低及分辨率高等優勢（Watts等，2012;陳仲新等，2016）。無人機的應用領域迅速擴展，也讓無人機成為一個研究熱門課題。

2 研究區概況

本文選取四川省沐川縣三溪村為測區，三溪村是四川省環境優美示范村莊，其經度為103°53′24″E，緯度為28°56′24″N。該村地處丘陵地貌，地勢較低，但起伏較大，植被覆蓋率約75%-80%，測區范圍1.3km*1.3km，面積為1.69km²，因飛行區域視野開闊，衛星信號較好，有利于進行消費級無人機的飛行實驗。

3 數據處理

本文選擇采用Pix4D快拼軟件處理，該軟件自動化流程程度較高，一鍵式作業完成數據準備、參數設定、連接點自動匹配、自動空中三角測量、數據生成等多個步驟，處理后可在質量報告中查看平均精度和絕對精度。為了對該精度的可靠性進行分析，還將添加6個檢驗點進行后續實際精度計算來進行對比分析。

數據處理主要流程如下：

3.1 數據準備

本文使用的原始數據包括無人機飛行的垂直投影圖像、POS數據、相機參數以及GPS-RTK所測控制點、檢驗點數據。其中的199張垂直投影照片來源于大疆精靈4PRO（Phantom-4-PRO）消費級無人機，飛行航高約200-300m，該無人機具有輕便靈活、成本低，上手快等優勢，搭載DJI FC6310型號相機，圖像尺寸為4864（寬度）*3648（高度），焦距為9mm，視場角84°，最大水平飛行速度為72km/h，使用快拼軟件處理時，無需制作POS文件，POS點相關信息可隨圖像直接導入計算空三。

地面控制點（GCP）和檢驗點是此次驗證無人機獲取地形信息精度的關鍵數據，為獲得該數據，使用精度可達毫米級的GPS-RTK系統測得，控制點數據如下表1、表2。

使用Pix4D mapper 4.2.25導入影像數據，進行連接點自動匹配、自動空中三角測量、添加控制點區域平差、影像拼接等處理后，得到數字地表模型（DSM）、數字正射影像圖（DOM）成果，如下圖3、圖4所示。

4 結果分析

4.1 理論精度分析

空三加密采用光束法局部平差法，在數據處理后會自動生成質量報告，報告包括無人機影像分辨率、圖像質量檢查結果、像點的坐標、各個控制點誤差和水平方向平均誤差、垂直方向平均誤差、水平方向均方根誤差（RMSE）、垂直方向均方根誤差等，如下表3。

由該質量報告可以得出，各控制點水平方向（X、Y）誤差最大為36.3cm，最小為0.6cm;水平方向X平均誤差為-1.69cm，Y平均誤差為1.87cm，垂直方向Z平均誤差為-7.12cm;均方根誤差水平方向X為-17.65cm， Y為10.86cm，垂直方向Z為28.69cm。可以看出，在水平方向的誤差值相對于垂直方向誤差較小，說明使用無人機影像制作DOM成果比DEM成果質量精度高。

4.2 實測精度分析

4.2.1 影像對比

J1、J2、J3、J4、J5、J6為RTK測得6個檢驗點，通過ARCGIS將6個檢驗點與DOM成果套合，結果如下圖所示（紅色圓點為檢驗點準確坐標位置）。可以看出，DOM成果與實際位置（交叉折點）幾乎吻合。

4.2.2 精度測評

區域網通過添加控制點進行平差計算后，對于成果的精度誤差，通常可通過未參與平差計算的外業測量檢驗點對誤差的期望和均方差進行估算。期望（μ_x）和均方差（δ_x）計算公式如下：

首先在DOM成果圖上找到六個檢驗點實際位置，計算出該位置坐標并與RTK外業測量檢驗點坐標進行對比，計算出誤差值，再根據上式分別計算出期望值與均方差值。如下表所示可以看出，水平方向X誤差的期望值和均方差分別為5.87cm、4.11cm;水平方向Y分別為7.85cm、4.20cm。因此，實際精度測試結果與理論精度結果一致，均達到厘米級。

4.3 效率與經濟效益分析

質量、效率、經濟效益是評判一件產品的基本因素。消費級無人機數據的質量精度可達厘米級，可達到絕大多數行業的應用。此次消費級無人機影像數據快拼精度分析測試，測區范圍1.3km*1.3km，面積約為1.69km²。在航飛階段，從布置測區到開始飛行到最終返航只需1臺消費級無人機花費1-2個小時;后期數據處理階段，亦可借助快拼軟件簡單快速處理得到DOM成果。消費級無人機體型較小，飛行操作十分靈活，且成本遠遠低于大型專業級無人機，因此對于小區域的測繪，消費級無人機具有高質量、高效率、高效益、低成本的優勢，可廣泛應用于野外測繪工作。

5 結論

綜上所述，消費級無人機影像數據精度可達厘米級，完全滿足野外地理和生態調查工作者等的作業需求，為這些野外工作者提供了一種低成本、便于攜帶、快速靈活與精確獲取地形信息的新型量測手段，其在小區域的測繪應用將會越來越廣。

參考文獻

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