影響無人機航測高程精度因素的研究

張效鋒

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

100多年歷史的航空攝影測量和50多年歷史的航天攝影測量，構成了傳統的航空、航天攝影測量技術體系，傳統航空攝影測量雖然可以滿足大比例尺成圖的精度要求，卻無法滿足小區域的成本核算，而傳統的航天攝影測量則剛好相反，高分辨率商業衛星雖然在小區域的成本核算上可以被接受，但只能滿足成圖比例尺小于1∶5 000的精度要求。為實現攝影測量單位按需要組織飛行的目標，無人機航空攝影技術備受青睞，無人機航測技術是集成低空航空攝影技術、傳感器技術和數據處理技術等多項技術于一體的航空攝影測量技術，是在衛星遙感、大飛機遙感等技術之后新興發展的一項航空遙感技術[1-4]。無人機航測在廣泛應用時，數據精度是必須考慮的指標。無人機航測數據精度受到許多因素的影響，一般航測的平面精度基本都能解決，主要是高程精度，本文概述了無人機航測系統組成和數據生產流程[5]，并逐一分析了對數據高程精度產生影響的因素，提出了相應的提高航測高程精度的建議。

1 無人機航測系統與生產流程

1.1 航測系統組成及工作模式

無人機航測系統由無人機飛行平臺、飛行控制系統、航空攝影設備、數傳系統、圖傳系統、電臺、地面工作站等系統組成。目前無人機使用的定位技術主要有RTK模式和PPK模式，RTK模式主要是給飛控提供實時的高精度的位置速度等信息，可完全達到免像控要求，這個對電臺的刷新頻率要求較高；PPK模式主要稱為動態后處理技術，與航測聯系更加緊密，需進行像控點測量。PPK與RTK的最大區別在于差分模式，本文主要是基于RTK免像控模式下對航測高程精度影響因子的探討。

1.2 航測數據生產流程

無人機航測內外業作業流程主要包括外業查勘、航線規劃、空域申請、外業航飛(PPK模式下需進行像控點采集)、數據下載(主要包括POS數據下載以及相機數據下載)、內業數據處理、成果輸出、精度檢查等步驟，主要內業技術路線如圖1所示。

圖1 內業數據處理技術路線

結合數據處理流程可提煉出影像數據處理過程中不同精度影響因子所起的作用，結合實驗數據來分析各影響因子對無人機航測高程精度的影響程度。

2 航測高程精度影響因素

2.1 像片質量對航測高程精度的影響

無人機航測內業數據處理過程中涉及重要一項就是照片匹配(同名點匹配)，同一航帶或相鄰航帶同名點覆蓋照片越多，匹配精度就越高，這對于無人機獲取像片的質量要求較高。因此，無人機航測精度檢查中的重要一項就是像片質量檢查，像片質量要求一般需要滿足影像清晰，不應有云、云影、煙、大面積反光、污點等缺陷，本次主要研究像片有少量云霧對精度的影響程度，圖2為安徽皖北地區飛行了某一區域不同天氣下的兩個架次。

圖2 同一區域兩種環境下影像

對同一區域利用RTK固定解方式采集了一定的檢查點，對高程精度進行了分析，分析結果如表1所示。

表1 精度統計表

上表顯示中，ΔH1(a)代表有霧的影像獲取的高程精度，ΔH2(b)代表清晰的影像獲取的高程精度。通過精度對比，被云霧遮擋的影像高程精度明顯低于清晰影像，通過實驗數據分析云霧遮擋較大的區域同名點數量較少，會影響照片匹配精度，從而影響最終數據成果。

2.2 重疊度對航測高程精度的影響

影像立體建模的一項重要步驟就是相對定向，而相對定向直接與像片重疊度有直接關聯，影像的重疊度越大，自動匹配就容易，匹配點就越多，相對定向的精度也就越好。通過理論分析判斷重疊度會直接影響航測精度，需通過實驗分析判斷重疊度對高程精度影響的程度。本次針對安徽省宣城市某灌區項目進行無人機航測，采用Fuji-X-M1-18 mm，1 600萬像素的相機，分辨率設置為10 cm，選取其中一段面積約0.5 km2的區域(平原地區)進行航測，采用兩種不同的重疊度對同一區域進行航攝(圖3)，其中藍色代表重疊照片達到9張以上的區域。

圖3 兩種重疊度下數據報告

對同一區域利用RTK固定解方式采集了一定的檢查點，對兩種重疊度下高程數據進行了精度分析，分析結果如表2所示。

表2 精度統計表

上表顯示中，ΔH1(a)代表航向重疊度70%～60%、旁向重疊度50%時影像獲取的高程精度，ΔH2(b)代表航向重疊度85%～75%、旁向重疊度65%時影像獲取的高程精度。從精度分析結果可確定當重疊度降低時，會導致航測區域內重疊像片的數量大大減少，從而影響照片相對定向精度，使影像高程精度受到嚴重影響。

2.3 大面積水域對航測高程精度的影響

攝影中心作像片的垂線，交點為像主點，一般而言，像主點即為像片的中心點。像片的像主點在數據處理過程進行三大定向及立體建模起到非常關鍵作用，照片像主點落水會直接影響到定向精度。在水利測繪中，經常會碰到航飛架次中帶有大面積水域，同一個架次中水域占有面積大于影像的一半，在這種情況下是否會對整個影像的高程模型產生多大影響，本次針對引江濟淮項目菜子湖段某一區域進行了航飛，由于菜子區域湖面較大，通過航飛后內業處理，將沒刪除水面照片與刪除大部分水域照片進行了分開建模處理(圖4)。

圖4 水域面積占比不同情況下影像

對同一區域利用RTK固定解方式采集了一定的檢查點，對處理后同區域影像進行了精度分析，分析結果如表3所示。

表3 精度統計表

通過上述實驗分析，ΔH1(a)代表水域占50%以上影像高程精度，ΔH2(b)代表水域占5比50%以下影像高程精度，單個架次處理過程中，水域面積在影像整個區域占比50%以上會造成大部分像片像主點落水，在后續數據處理過程中導致誤差較大。因此，為了避免像主點落水，一般航飛過程中遇到大面積水域，可刪除對應水域照片再進行數據后處理來提高整體建模精度。

3 結 語

本文系統分析了無人機航測數據高程精度的影響因素，包括像片獲取的質量、航飛參數中重疊度的設置、航飛架次中大面積水域等因素的影響。通過分析對比，上述任何一種因素都會對航測高程精度帶來影響，其中影響最大的就是重疊度的設置，低重疊度會提高航飛效率，同時也降低了航測精度，因此，在外業操作過程中需要根據對數據質量的不同要求采取不同的設置方式；此外，飛行天氣以及環境對航測精度也會造成較大影響，建議一般飛行時間盡量選擇在天晴、少云時段進行；飛行區域飛行架次的劃分也是非常關鍵，根據本文分析，飛行架次劃分盡量避免單架次飛行區域內水域面積占比較大，若根據現場條件無法避免較大水域的情況下，可在數據后處理過程中適當減少一些水域照片進行建模。總之，影響航測精度的因素較多，需要根據實際情況在外業實踐過程中進行不斷的積累，根據積累的經驗去不斷的避免各種因素對航測高程精度產生的影響，從而在去掉航測儀本身系統誤差外來進一步提高航測高程精度，為水利航測成果提供一份精確、可靠、有效的模型數據。