影響無人機航攝的高程精度分析

路思岐 豐立柱

摘? 要：目前無人機技術在測繪行業中應用愈加廣泛，更多從業人員將無人機應用在與高程測量有關的場景，但影響航攝高程精度的因素較多，怎樣采取一定舉措以提高航攝高程精度已成為業內人員更加關心的問題。在進行精度探究時多從DLG成圖角度來分析，未就高程精度影響因素進行探討，文章基于理論分析與實驗驗證，結合航攝技術作業流程探討了在航攝作業時高程精度的影響因素，提出了合適的航測設計方法，可為今后航測工作提供一定參考。

關鍵詞：無人機；高程；影響因素；基高比

中圖分類號：P231? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0118-03

Abstract： At present， UAV technology is more and more widely used in the surveying and mapping industry， and more practitioners will apply UAV in scenarios related to elevation measurement， but there are many factors affecting the elevation accuracy of aerial photography， and how to take certain measures to improve the elevation accuracy of aerial photography has become a more concerned issue in the industry. In the precision exploration， most of the analysis is from the perspective of DLG diagram， and the factors affecting the elevation precision are not discussed. Based on theoretical analysis and experimental verification， combined with aerial photography technical operation process， this paper discusses the influencing factors of elevation accuracy in aerial photography operations， and proposes appropriate aerial survey design methods， which can provide certain reference for future aerial survey work.

Keywords： UAV; elevation; influencing factor; base-height ratio

0? 引? 言

近幾年航攝技術不斷發展成熟，航攝作業流程日臻完善，基于無人機的低空影像獲取已成為航空攝影測量的主要手段，相比以前傳統測繪方法，使用無人機進行航測工作更加方便快捷，精度較高，具有較好的發展趨勢。

但目前我國在無人機航攝領域仍存在諸多不足，具體如下：

1）測繪部門暫未提出關于無人機航攝的國家規范，因此目前各作業部門多憑借自身經驗實施作業，作業方法各不相同，精度的一致性無法得到保證；

2）航攝路線設計時，重疊度的選擇存在兩難。重疊度過低會影響作業精度，但增加重疊度會較大的增加作業時間，導致作業效率降低。

3）在進行航線設計時，重在平面精度的衡量，針對高程精度的專項設計較少。

鑒于上述原因，有必要在作業前對無人機精度的影響因素進行分析，并采取必要措施以提升作業精度。本文就針對精度問題，基于理論分析與實驗驗證，結合航攝技術作業流程探討無人機在航攝作業時高程精度的影響因素，并利用無人機航攝數據，逐一對不同的重疊度和基高比等因素下所測量的高程精度進行比對，并對上述影響因素進行了分析總結，提出合理的航測規劃方案建議。

1? 無人機航攝技術作業流程

1.1? 技術準備

在無人機進行航測作業之前，應提前設計好航線、飛行架次，設計合理的測量方案并擬寫航測技術設計書，描繪航測技術設計圖（應包括航測作業范圍、地勢以及已知地面控制情況）[1]。為檢核測繪精度，需設置一定數量的像控點和檢核點，點位須清晰且無遮擋，使用RTK固定解方式對其進行點采集。使用GNSS固定解方式對其進行點采集，采集數據如表1所示。

1.2? 飛行實施

按照擬定的航測技術設計書，等待合適的天氣，選擇測區中較為空曠的地點作為起降點，檢查儀器設備情況良好后，對測區進行影像采集。為保證飛行安全，飛機起飛后要實時持續觀察飛機的動向，關注飛機的飛行高度、速度、姿態以及電池電量和航線的完成狀況等。飛行任務完成后，對航攝影像數據進行質量檢查，并將其導出，若有不合格的區域，應及時進行補飛，使影像數據的精度質量滿足相關規定和要求。

1.3? 數據處理

借助Context Capture軟件對無人機航攝數據進行后續處理。新建項目后，導入影像數據和像控點，進行空三解算[2]。解算完成后對比選刺像控點，保證每個像控點最少有6～9個相對應的匹配點。刺點完成后再次提交空三解算。采用規則平面格網切塊方法生產三維模型。

1.4? 精度評定

將正射影像導入Cass 3D中，捕捉檢核點的同名點的量測坐標值，與檢核點坐標進行精度比對，使用中誤差計算公式（1）計算中誤差，其精度應符合規范要求。

2? 基高比對航測高程精度的影響

基高比是影響航攝像片精度質量的主要原因。攝影基線長度（B）與航高（H）的比值就是基高比（G），表示的是兩個相鄰攝站相對于地面點的交會角[3]。攝影基線是相鄰兩像片攝影中心的連線；航高是選取攝區的平均高程面作為航攝基準面，攝影機的物鏡中心到航攝基準面的距離。像片重疊度越大，同一航線或相鄰航線相鄰兩張像片間的匹配點越多，匹配精度就越高[4]。當航高確定后，在航向上相鄰影像的重疊度決定了攝影基線長度，即航向重疊度越大，攝影基線越短，基高比變小；反之基高比愈大[5]。

立體像對中兩張像片空間前方交會的幾何關系如（圖1）所示，B表示攝影基線長度，H代表航高，f為攝影焦距，b為像片基線，θ是兩個相鄰攝站到地面點的交會角，mxy代表像片的測量誤差，mXY是空間點平面坐標測量誤差，mz表示空間點的高程誤差。

由式（6）可以看出，相機的地面分辨率（GSD）、像點坐標測量精度、基高比三個因素都會對點位高程精度產生影響。當航測相機和航測比例尺確定后，地面分辨率（GSD）與測量誤差mxy不變，高程精度mz與基高比G成正比，與航高H成反比[6]，即B/H愈大，則高程精度mz愈高。

以測區為例，采用Phantom4 RTK無人機，分別設置70 m和100 m兩種飛行高度，兩高度下再設置不同的重疊度，分別采集同一測區的遙感影像，共計飛行4架次。根據現場具體狀況，設置相機焦距為8.8 mm，分別設置航向重疊度80%、旁向重疊度70%和航向重疊度70%、旁向重疊度50%兩種重疊度。

為保證影像精度，應進行精度評定，使用同名點量測坐標對比檢核點坐標，通過式（1）計算出平面及高程中誤差。基高比可通過式（7）計算得出，式中最大像素5 472像素×3 648像素，相機CCD尺寸PX×PY：13.2 mm×8.8 mm，焦距8.8 mm。對比不同航高下不同重疊度的航測精度，及不同基高比對航測精度的影響，如表2、表3、表4、表5所示。

通過四架次的航攝數據可以看出，基高比對航測精度有一定的影響，隨著基高比的增加，平面及高程精度都會有所提高。因此，為提高高程精度就需要增大基高比，而增大基高比要通過減小重疊度或降低航高來實現。重疊度升高或飛行高度降低時會大幅增加航測像片數量以致內業工作量過重，但當重疊度過低時，地物點只能在少部分影像中重復出現，會減少相鄰像片之間連接點的個數，就會降低像片匹配精度和相對定向精度，導致匹配點平差結構弱化，且隨著影像分辨率的降低，在刺點操作時也會引入一定的誤差，因此選用適當的基高比，即合理的進行航線規劃便成為提高航測精度的關鍵。為了平衡內業工作量與高程精度，應設計合理的航測方案，結合本次試驗，推薦選取飛行高度100 m，航向重疊度70%，旁向重疊度50%，在確保精度的前提下有效地提高了工作效率。

3? 結? 論

根據上述試驗，我們結合航攝流程分析了像片重疊度、基高比對航測高程精度所造成的影響。試驗結果表明基高比越大時，空間點的高程精度就越好，使航測成果精度均能滿足設計要求。通過適當降低航向重疊度以增大基高比等方法來平衡航測精度與工作效率之間的關系，在航測時顯得尤為重要。

參考文獻：

[1] 王佩軍，徐亞明.攝影測量學：第1版 [M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[2] 周玉秀，申忠昌，王永菊.無人機低空攝影測量數據處理及應用探討 [J].青海大學學報，2021，39（3）：88-92.

[3] 溫成龍，張兆江，商洋洋.提高無人機高程精度的影像獲取方法 [J].地理空間信息，2017，15（6）：38-40+4.

[4] 張效鋒.影響無人機航測高程精度因素的研究 [J].現代測繪，2021，44（3）：31-33.

[5] 柏飛.影響無人機航測高程精度分析 [J].測繪技術裝備，2014，16（3）：92-93+56.

[6] 段興全，胡賢.淺析無人機航測高程精度影響因素 [J].建筑工程技術與設計，2018（12）：5324.

作者簡介：路思岐（2000—），男，漢族，天津人，本科在讀，研究方向：測繪工程；豐立柱（1985—），男，漢族，山東曲阜人，教師，碩士研究生，研究方向：攝影測量。