大疆精靈4RTK參數設置對航測繪效率影響的分析

孔銳 廣州海事測繪中心

2018年6月，大疆發(fā)布精靈4 RTK無人機，將厘米級導航定位系統(tǒng)與1英寸高性能成像系統(tǒng)相結合，集成在單人背包可攜帶的小巧機身中，再配合簡單易用的航線布設與飛控軟件，在提升航測效率與精度的同時，大大降低了作業(yè)難度和成本，真正讓航空攝影測量走進一線測繪職工中。

近年來，隨著大疆產品線逐漸向更加便攜的御系列傾斜，在目前可見的未來，大疆何時能推出精靈4 RTK的換代產品依然成疑，如何最大限度使用好現(xiàn)有產品，提高生產效率，仍然是當下應用的重中之重。

1.測繪模式參數對測繪效率的影響

1.1 飛行高度

飛行高度決定了地面采樣距離，即最終成果精度。精靈4 RT K的地面采樣距離（G SD）計算公式為(H/36.5) cm/pixel，H 為飛行器相對于拍攝場景的飛行高度（單位：米）。2D正射、照片比例條件下飛行高度與拍攝范圍關系見表1。

飛行高度與測線距離等比變化，是影響測線距離的直接因素，但由于飛行高度通常由項目精度確定，下文將飛行高度作為影響因子同時參與各項對比。

1.2 飛行速度

航線規(guī)劃中的飛行速度可以自行調節(jié)，軟件只限制最大飛行速度，按飛行高度區(qū)間遞增。

從最低飛行高度25m起，飛行高度每增加13m，最大飛行速度增加1m/s，最大增加至13 m/s后就不再增加（見表2）。這一規(guī)律是按照最大連拍速度不超過0.4張/秒進行設計。

飛行速度的變化只影響飛行時長，并不影響航線距離及拍攝張數，由于飛行速度已經根據高度設置上限，通常選擇最高飛行速度最省時。

1.3 旁向/航向重疊率

精靈4 RTK的相機云臺只能向前方和下方轉動（俯仰：-90°至 +30°），在任何模式下相機都沿飛行方向進行拍攝，即航向重疊率只與照片的縱向實際距離相關，旁向重疊率只與照片的橫向實際距離相關。

按照系統(tǒng)默認航向重疊率80%，3D/2D旁向重疊率80%/70%計算，在不同飛行高度下的理論數據見表3。

在實際規(guī)劃中，精靈4 RTK自帶規(guī)劃軟件DJI GS RTK大致按照理論數據設計，但大疆選擇了更有規(guī)律的定量取整設計，更加方便計算。

由于航向重疊率只影響拍攝張數不影響飛行距離，主要來看旁向重疊率與測線間距的關系。在默認3:2畫幅下，無論選擇何種模式，系統(tǒng)規(guī)劃的測線間距只與飛行高度和旁向重疊率有關。常用高度、旁向重疊率關系見表4。

在100m飛行高度80%旁向重疊率條件下，測線間距為30m。保持飛行高度不變，重疊率與測線間距成反比，重疊率每增加/減少5%，測線間距會在80%重疊率的測線間距基礎上減少/增加?；在重疊率不變的情況下，飛行高度與測線間距等比變化。

即測線間距的計算公式為：

S=H×(100-R)×0.015

S為測線間距（單位：米），H為飛行器相對于拍攝場景的飛行高度（單位：米），R為旁向重疊率（單位：%）。

通過對比可知，系統(tǒng)設計的測線間距實際是參照2D正射模式下的理論測線間距。上文公式中的常數0.015，是由5472（橫向有效像素）÷36.5（地面采樣距離計算常數）÷10000計算得來。

1.4 云臺角度

在進行3D傾斜攝影測量時，云臺角度會影響照片的縱向實際距離，進而影響同等重疊率下拍攝兩張照片的理論飛行距離。但由于理論距離不存在可操作性，DJI GS RTK APP并沒有將云臺角度與拍照數量掛鉤，云臺角度只影響測線邊緣的長度。

云臺角度越大，無人機在同高度下拍攝到有效范圍所需的距離越遠，測線兩端的長度就會越長。

表1 飛行高度與拍攝范圍關系

表2 飛行高度與速度關系

表3 不同高度下測線間距與拍照距離

表4 測線間距與旁向重疊率關系

以飛行高度100 米為例，云臺角度選擇-45° 時，會比默認的-60°單條測線長100×(tan45-tan30)×2=84.53米。

反映到具體項目中，測線越多、單條測線越短，調整云臺角度對工作量的增加幅度越明顯。但對于橋梁、高樓等高差較大的地物進行測繪，調節(jié)云臺角度可以有效降低飛行高度提高測繪精度，云臺角度也要根據實際選擇。

1.5 照片比例

精靈4RTK 在各模式下均有兩種照片比例3:2和4:3可供選擇，兩個比例下的照片最大分辨率為5472×3648（3:2）、4864×3648（4:3）。由于精靈4 RTK的影像傳感器為原生3:2畫幅的1英寸傳感器，4:3畫幅實際是在3:2畫幅基礎上裁切兩邊獲得的，在橫向分辨率上，4:3畫幅只有3:2畫幅的8/9，反映到測線間距上，選擇4:3畫幅的測線間距也只有3:2畫幅的8/9。

實測4:3畫幅200米正射70%旁向重疊測線間距80米，80%旁向重疊率間距53.3米，90%旁向重疊率26.7米，均為同參數下3:2畫幅測線間距的8/9。

由此可知，3:2畫幅會比4:3畫幅測繪效率更高，在沒有特殊需求的情況下，默認3:2畫幅即可。

1.6 測線角度

除了各種可量化調節(jié)的參數外，DJI GS RTK 還有一個可調節(jié)的選項，即測線角度。

以一個測量范圍長寬各約1000米，飛行高度100米，總面積1.002平方公里的3D井字測量項目為例，選擇不同的測線角度，預計拍攝張數會從最低4472張到最高4816張變動，預計飛行時間也會從205分10秒到218分49秒相應變化，差距達6.2%-7.1%，對于大范圍測繪來說頗為可觀。

以理論情況計算，一個長寬各為1000 米的正方形區(qū)域，測線間距90米的正射飛行，當測線平行于區(qū)域邊界時，測線在測區(qū)范圍外各延伸100米，單條測線長度1200米，測線數量為13條，總長15 6 0 0米。而如果測線角度旋轉45°平行于對角線時，測線數量為17條，測線總長度為(1000×√2+100×2)×17-180×2×(0+1+2+3+4+5+6+7)=17361.63米，不僅飛行距離更長，多出的幾個調頭也會大大增加飛行時間。

通常來說，在不考慮單條測線距離過長的因素時，測線角度盡量平行于測區(qū)范圍最長的邊可以獲得最短的飛行距離和飛行時間，對外業(yè)內業(yè)處理均可提升效率。

2.結語

在固定航高的情況下，測線盡量平行于測區(qū)范圍最長的邊，單條測線長度控制在1-2km，選擇最大飛行速度、3:2照片比例，會最大限度提升作業(yè)效率。旁向重疊率是影響測線總長度的最大因素，而云臺角度對于測線總長度的影響很小。

在盡量優(yōu)化航線參數的同時，結合選擇適當的測繪模式可以事半功倍。例如實際測繪中，高樓、山丘等帶來的地形劇烈變化會極大影響旁向重疊率，飛低容易造成空三失敗、飛高則很難保證模型精度，以往通常都采用多航高分片飛行的方式，布線飛行都耗時耗力。此時先以大航高對測區(qū)進行一次簡單航拍，進行快速的內業(yè)處理生成粗略的地形，再導入DJI GS RTK使用仿地飛行模式規(guī)劃航線，可以最大程度的減少飛行工作量和后期內業(yè)處理時間，精度、分辨率也能得到很好的保障。而對于大測繪范圍使用大區(qū)分割、對于起伏岸線使用變高航帶、對于橋梁建筑物使用斜面航線等，都可以有效提高工作效率。