旋翼無人機(jī)大比例尺測圖應(yīng)用及精度分析

侯樹慧，李杰，牟冬星，孫偉達(dá)

(石家莊市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050019)

1 引 言

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)以其機(jī)動、靈活、高效率、低成本、易操作以及在應(yīng)急救災(zāi)和小范圍數(shù)據(jù)快速獲取和成圖方面的獨(dú)特優(yōu)勢成為常規(guī)航空攝影測量手段的有效補(bǔ)充[1]，帶來航空攝影測量應(yīng)用領(lǐng)域的變革，同時(shí)為大比例尺地形圖測繪提供了新的技術(shù)手段。

多旋翼無人機(jī)，操作簡單、安全系數(shù)高、帶有小型云臺[2]，起降方便靈活，受起飛場地限制影響小，利于獲取清晰準(zhǔn)確的影像信息[3]；傾斜攝影，通過在一個(gè)飛行平臺上搭載多臺傳感器(如五鏡頭、兩鏡頭相機(jī)等)，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，從而獲取到地面物體更為完整、全面和準(zhǔn)確的信息。相對傳統(tǒng)攝影測量，無人機(jī)傾斜攝影手段獲取的成果數(shù)據(jù)類型更豐富、精度更高，這些特點(diǎn)使其更適用于小區(qū)域較高精度的測量任務(wù)。

本文緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，探討無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于小區(qū)域大比例尺地形圖測繪的可行性。

2 項(xiàng)目實(shí)施

本次試驗(yàn)采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取外業(yè)影像數(shù)據(jù)，以Smart3D Capture作為三維建模軟件，在清華山維EPS地理信息工作站平臺下采集生成數(shù)字線劃圖，最終通過對線劃圖精度評定來確定方案的可行性。

為便于數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)分析，選取位于石家莊市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院2017年基礎(chǔ)測繪任務(wù)范圍內(nèi)的某科技園作為試驗(yàn)區(qū)。該區(qū)域有最新現(xiàn)勢性的全站儀測圖成果，面積約 0.15 km2。園區(qū)地勢平坦，海拔介于 70 m～80 m之間，以多層建筑為主，園區(qū)外有少許溝坎，以農(nóng)田為主，難度類別Ⅱ.0。

為保證結(jié)果的普適性，選用市場上常見的A、B、C、D四種不同廠家、不同型號的旋翼無人機(jī)為平臺搭載高清航拍相機(jī)進(jìn)行低空傾斜攝影測量；采用GNSS-RTK方式進(jìn)行預(yù)設(shè)地面靶標(biāo)像控點(diǎn)測量。為了更好地對比不同型號無人機(jī)的測量精度，此次外業(yè)飛行均按照 1∶500地形圖的要求進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。航飛前進(jìn)行了外業(yè)實(shí)地踏勘、設(shè)計(jì)，并布測了直徑 1 m的紙質(zhì)地面靶標(biāo)。

外業(yè)飛行選擇在5月底，天氣晴朗，能見度高，風(fēng)力較小，確保獲取的影像清晰度高，照片色彩均勻，飽和度良好，能夠真實(shí)地表達(dá)地物信息[5]。各型號無人機(jī)均飛行1個(gè)架次14條航線，飛行時(shí)長為 20 min左右。各無人機(jī)航攝技術(shù)參數(shù)如表1所示。

各無人機(jī)航攝技術(shù)參數(shù) 表1

航空攝影完成后，按照航測作業(yè)流程進(jìn)行項(xiàng)目生產(chǎn)：原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入(照片、POS數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)坐標(biāo))-數(shù)據(jù)整理-像控刺點(diǎn)-自動空三解算-點(diǎn)云加密-三維立體模型重建，數(shù)據(jù)處理完成后將模型導(dǎo)入EPS2012平臺中提取出線劃圖，作為成果精度評定的主要源數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析與評定

數(shù)據(jù)分析評定主要涉及兩方面，一是分析三維模型成果的表觀質(zhì)量，主要查看其色彩、紋理效果，特別是核查可能出現(xiàn)紋理漏洞的地方；二是評定基于傾斜數(shù)據(jù)采集的線劃圖的數(shù)學(xué)質(zhì)量，選取圖中明顯地物、地形特征點(diǎn)作為被檢測點(diǎn)，與全站儀采集的實(shí)測坐標(biāo)或高程進(jìn)行比對。

3.1 表觀質(zhì)量對比

通過模型的色彩、紋理對比發(fā)現(xiàn)：各三維模型產(chǎn)品成像清晰，無污點(diǎn)；色彩、紋理表觀質(zhì)量差異不大，只有1個(gè)成果紋理效果稍差，主要原因是航飛時(shí)接近中午，光照過強(qiáng)。

3.2 空三加密精度情況

本次各型號無人機(jī)成果的地面分辨率、重疊度、航飛質(zhì)量以及控制點(diǎn)選取差別不大，因此，空三加密精度相差無幾。

各成果的區(qū)域網(wǎng)空三誤差在0.114～0.125像素之間，控制點(diǎn)誤差在X、Y、Z方向的值均在 5 mm～10 mm，沒有明顯差距。

3.3 成果精度評定與分析

為確定成果數(shù)學(xué)精度，采集三維模型中紋理清晰的特征點(diǎn)進(jìn)行平面精度評定，選取局部高程變化小的點(diǎn)狀要素或路面進(jìn)行高程精度評定。

試驗(yàn)分別選取了具有代表性、分布均勻的57個(gè)平面檢核點(diǎn)，34個(gè)高程檢核點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析。具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2、表3所示：

平面精度統(tǒng)計(jì)表 表2

高程精度統(tǒng)計(jì)表 表3

從表2可以看出：平面中誤差最大的是B型號無人機(jī)，平面中誤差為 ±0.18 m，均滿足規(guī)范關(guān)于 1∶500地形圖平面點(diǎn)位中誤差不大于 ±0.25 m的要求；

從表3可以看出：高程中誤差最大的是B型號無人機(jī)，高程中誤差為 ±0.13 m，均滿足規(guī)范關(guān)于 1∶500地形圖高程中誤差不大于 ±0.15 m的要求。

圖1平面點(diǎn)位較差對比分析圖

從圖1可以看出：D型號無人機(jī)25號點(diǎn)存在粗差，其他點(diǎn)較差大小分布比較集中，C型號無人機(jī)誤差分布相對集中，精度最優(yōu)，A型號18號點(diǎn)誤差較大，其他點(diǎn)差別不大，B型號無人機(jī)平面誤差離散性分布較強(qiáng)。經(jīng)分析：D型號無人機(jī)25號粗差原因是受建筑物陰影影響所致；A型號無人機(jī)18號點(diǎn)誤差較大主要是內(nèi)業(yè)立體采集量測時(shí)的切測誤差造成的，多次、多人采集證明，該點(diǎn)點(diǎn)位較差 0.31 m，差值仍稍顯大，可能還有其他誤差因素?fù)诫s其中。

從圖2可以看出：個(gè)別機(jī)型個(gè)別高程點(diǎn)存在粗差，粗差比例不超限；D型號、A型號無人機(jī)誤差分布較集中，精度較好，B、C兩種型號的高程較差起伏變化較大，分布均比較離散，高程中誤差也很接近。

圖2高程較差對比分析圖

無人機(jī)航攝測量自帶的非量測型相機(jī)，像幅小、基高比小，從而影響高程精度；飛行質(zhì)量(如航行高度、航向及旁向重疊度、航帶彎曲度、像片旋偏角等)和影像質(zhì)量(如清晰度、分辨率、層次、色調(diào)等)等也會影響精度。

對各型號參數(shù)綜合分析，D型號無人機(jī)的飛行高度低、鏡頭焦距長、重疊度高，所以精度優(yōu)；A型號正攝鏡頭焦距為 25 mm，與D型號焦距 35 mm相比較小，對航測精度有影響；B型號無人機(jī)飛行高度低，但鏡頭焦距較短，成像精度不太高；C型號無人機(jī)為了追求效率，飛行高度較高，但地面分辨率較低，對提高精度不利。

通過以上數(shù)據(jù)分析表明：4種不同型號的旋翼無人機(jī)高程和平面誤差均滿足城市測量規(guī)范 1∶500地形圖精度要求，驗(yàn)證了低空旋翼無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以用于 1∶500大比例尺地形圖測制。為了獲得高精度航飛成果，建議綜合考慮無人機(jī)設(shè)備技術(shù)參數(shù)，像控點(diǎn)布設(shè)采用預(yù)設(shè)靶標(biāo)可較好保障成果精度。

4 結(jié) 語

本文以某園區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，采用不同型號的旋翼無人機(jī)以傾斜攝影測量技術(shù)生成線劃圖，通過對成果的數(shù)學(xué)精度分析評定，驗(yàn)證了無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)用于 1∶500大比例尺地形圖的可行性。

本次選擇的測區(qū)為小范圍平坦廠區(qū)，對于地形起伏較大區(qū)域的 1∶500大比例尺測圖精度能否滿足要求，還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證和研究。