影响多旋翼无人机大比例尺测图精度原因的分析与探讨

宋晓红

（河南省测绘地理信息局信息中心，河南 郑州 450008）

1 引言

大比例尺无人机测绘是当前行业发展的一个重要趋势。 它可以更加机动、快速地进行应急测绘和测绘成果的实时更新，相比数字化测图能有效降低劳动强度，提高效率，在一定程度上降低成本；相比于大飞机航测，更加灵活，使小范围航测变成可能，成本更低；相对于固定翼无人机而言，多旋翼无人机操作简单，安全系数高，且带有小型云台，更有利于大比例尺测图。 多旋翼无人机航测具有先天优势，如果在环境（风力、晴空）良好的情况下，精度相对会提高很多，可以用来尝试1：500 地形图的测绘。但是，多旋翼无人机航测毕竟还处于发展阶段，由于硬件以及不规范作业的影响，精度基础比大飞机航测要差，影响因素更多。下面就影响多旋翼无人机大比例尺测图精度的几个因素和解决方法进行简单介绍。

2 影响多旋翼无人机大比例尺测图精度的几个因素

2.1 航摄相机的成像质量影响

多旋翼无人机大比例尺测图精度影响最大的因素是其搭载的航摄相机。因受多旋翼无人机载重量的限制，大多搭载的是重量较轻的非量测型相机， 常用的有佳能5Dmark2、 佳能5Dmark3、索尼A7R 等。 非量测型相机的畸变差可以分为系统畸变差和随机畸变差，其中，光学成像系统引起的畸变和CCD 纵横方向排列的不垂直性引起的畸变差呈现一定的系统性， 表现为系统误差；而CCD 组件引起的电学畸变以及空间排列不均匀有较强的随机性，表现为随机误差。 非量测型相机相对专业量测相机而言，由其镜头和CCD 阵列引起的光学畸变较大，其径向畸变差和偏心畸变差对后期成图精度影响较大， 如果不进行影像畸变纠正，成图精度不能满足大比例尺测图要求。光学畸变差是影响像点坐标质量的一项重要误差， 是影响多旋翼无人机大比例尺测图精度的主要因素， 其航拍影像必须经过处理纠正后才能应用。

2.2 曝光方式和航飞方法影响

多旋翼无人机航摄时的飞行方法及曝光方式也是影响大比例尺测图精度的因素之一。 不论是固定翼无人机还是多旋翼无人机，由于其尺寸较小，抗风能力较弱，在航飞的时候，很难保证摄影航片的航偏角和倾角满足航测测图规范的要求。 固定翼无人机搭载有简单的GPS 和POS，但其精度较低，航摄的时候很难保证曝光点的准确位置，并且大都没有搭载云台，更难保证摄影时的姿态满足要求。 多旋翼无人机也一样，飞行中很难保证曝光点的准确位置，虽然搭载有云台，但在其向前飞行时，其倾角较大，云台改正效果不理想，且不稳定，拍出来的片子边缘模糊，影响航测成图精度。

2.3 像控布设方法影响

由于无人机航空影像像幅小，航片之间的重叠度大，基线长度较短，与常规航片比较，在同等面积情况下，无人机像片无论是航线数还是像片总数，都远远大于常规航片。 依据原航空摄影测量规范布设野外像片控制点，则外业工作量成倍增加。 满足测图精度要求的像控点布设方案， 是利用无人机航摄影像测绘地形图的关键。

2.4 后期数据处理影响

相对于有人机而言，无人机的小像幅，重叠率高，造成了相片数多， 后期处理内外业工作量大。 处理方法直接影响成图精度，一方面外业控制量翻倍增长，另一方面内业处理也相应地增加，采集调用的模型数也成倍增长。 此外，无人机相片存在航偏角较大的问题，作业员在立体观测时会产生头晕、恶心等反应。相关单位做过实验， 当观测航偏角在18-25 度的大旋偏角立体模型时，作业员可能会产生强烈的不适感，甚至呕吐，不能长时间持续作业，导致作业人员数据采集不准，影响成图精度。

3 多旋翼无人机大比例尺测图精度影响因素的解决方法

3.1 原始航片畸变纠正

非量测数码相机不是专门为量测目的设计的， 其畸变性能与量测摄影机的畸变性能不完全相同。 常规的摄影测量方法采用建立数学畸变模型实现对畸变差的自检校改正， 但这种方法忽略了随机因素引起的数码相机的畸变差。 而建立面积不同的准二维控制场，测定各类成像系统每个像素的总畸变，建立该影像专用的数字畸变模型， 以对各类成像系统各个环节产生的各种畸变进行总体补偿，是一种不区分系统误差和随机误差，对各种畸变一起改正的方法。 采用数字畸变模型纠正畸变差的本质是纠正像素点的总体畸变， 而不区分畸变的来源是系统误差还是随机误差。 采用数学模型纠正畸变差则认为相机产生的畸变是由系统误差引起的。 数字畸变模型的畸变差纠正精度与数学模型的畸变差纠正精度接近，但存在微小的偏差。 一般无人机的数码相机的畸变差主要是由系统误差引起， 只在边缘点处存在很小的随机畸变， 用常规的数学畸变模型进行畸变纠正就能满足要求。 目前市场上已有比较成熟的原始航片畸变纠正软件，如航天远景的FlightMatrix，四维空间数码的PixelGrid，都带有纠正航片畸变的功能。

3.2 飞行线路及曝光方式设置

针对无人机航摄存在的缺点， 结合多旋翼无人机可以悬停的特点，在设置飞行线路时可以严格按照航摄航线要求来布设。同时可以降低多旋翼无人机的飞行速度， 用以提高曝光点坐标精度。 同时在曝光点设置4 秒左右的悬停时间，多旋翼无人机在这几秒当中调整飞机的姿态， 使之能够最大限度地满足相机的参数调整， 直到完全满足曝光条件才进行拍摄， 相当于静止拍摄。 这样即可克服固定翼飞机运动飞行中拍摄姿态不稳、边缘发虚的缺点，最大限度地提高拍摄质量，从而克服由此带来的精度损失问题。

3.3 像控布设

多旋翼无人机航空影像像幅较小， 航片之间的重叠度也比较大，基线长度较短。 为提高成图精度，须提高像控点的分布密度、增加数量、提高联测精度。因此，多旋翼无人机像片控制点宜采用全野外布点的方式， 也可用提前布标靶的方式提高像控点的精度。

3.4 后期数据处理

无论是固定翼还是多旋翼无人机航测成图， 其随机配备的后期数据处理软件大多都是用来获取DOM 和DEM 的，如PHOTOMOD、PixelGrid-UAV、PIX4D、INPHO 等， 基本上很少能够进行测图。 大比例尺测图的软件基本上还是JX4、VZ、航天远景这些常用的摄影测量工作站。 多旋翼无人机原始影像经畸变纠正处理后，即可在摄影测量工作站进行空三加密，生成立体像对，在模型上进行测图。

4 结语

影响多旋翼无人机大比例尺成图精度的原因有多个方面，本文就其主要的4个方面的原因进行简单探讨， 也给出了改进提高旋翼无人机大比例尺成图精度的方法。不足之处，请广大读者批评指正。

[1]冯文灏.关于近景摄影机检校的几个问题[J].测绘科学，2000（10）:1-3.

[2]孙杰，林宗坚，崔红霞.无人机低空遥感监测系统[J].遥感信息，2003（1）:49-50.

[3]刘志铭，方勇，等.非量测数码相机在砼管片变形检测中的应用[J].测绘通报，2001（6）:40-41.

[4]王建明.利用无人机航空像片进行大比例尺测图的探讨[A].中国测绘学会2010年学术年会论文集[C].2010.