消费级无人机影像数据快拼精度分析

古学玲

摘要：无人机遥感是近些年快速发展起来的新兴技术，低空遥感为测绘工作带来了更快速灵活、简单便捷的体验。相对于专业级无人机而言，消费级无人机（UAV）具有快速便捷、机动灵活、易上手、性价比高等优势，是获取小区域4D数字产品的低成本生产方式。然而目前针对该类无人机影像处理及精度分析的研究较少，导致其进一步推广受到一定影响。本文选用大疆精灵4PRO（Phantom-4-PRO）消费级无人机在航高200-300m所拍摄影像，对其处理精度进行分析，选择Pix4D作为快拼处理软件，经过数据准备与预处理、参数设定、空中三角测量、数据生成等多个步骤，制作出数字正射影像图。

关键词：消费级无人机（UAV）;快拼处理;空中三角测量;精度分析;厘米级

1 引言

无人机（UAV）遥感是近几年新兴发展起来的低空测量技术，应用领域已从军事扩展到商用、民用市场（李德仁和李明，2014），用途也从最初的遥感测绘发展至如今的监测巡检等。与传统卫星及航空遥感相比，无人机获取数据具有灵活便捷、上手快、成本低及分辨率高等优势（Watts等，2012;陈仲新等，2016）。无人机的应用领域迅速扩展，也让无人机成为一个研究热门课题。

2 研究区概况

本文选取四川省沐川县三溪村为测区，三溪村是四川省环境优美示范村庄，其经度为103°53′24″E，纬度为28°56′24″N。该村地处丘陵地貌，地势较低，但起伏较大，植被覆盖率约75%-80%，测区范围1.3km*1.3km，面积为1.69km²，因飞行区域视野开阔，卫星信号较好，有利于进行消费级无人机的飞行实验。

3 数据处理

本文选择采用Pix4D快拼软件处理，该软件自动化流程程度较高，一键式作业完成数据准备、参数设定、连接点自动匹配、自动空中三角测量、数据生成等多个步骤，处理后可在质量报告中查看平均精度和绝对精度。为了对该精度的可靠性进行分析，还将添加6个检验点进行后续实际精度计算来进行对比分析。

数据处理主要流程如下：

3.1 数据准备

本文使用的原始数据包括无人机飞行的垂直投影图像、POS数据、相机参数以及GPS-RTK所测控制点、检验点数据。其中的199张垂直投影照片来源于大疆精灵4PRO（Phantom-4-PRO）消费级无人机，飞行航高约200-300m，该无人机具有轻便灵活、成本低，上手快等优势，搭载DJI FC6310型号相机，图像尺寸为4864（宽度）*3648（高度），焦距为9mm，视场角84°，最大水平飞行速度为72km/h，使用快拼软件处理时，无需制作POS文件，POS点相关信息可随图像直接导入计算空三。

地面控制点（GCP）和检验点是此次验证无人机获取地形信息精度的关键数据，为获得该数据，使用精度可达毫米级的GPS-RTK系统测得，控制点数据如下表1、表2。

使用Pix4D mapper 4.2.25导入影像数据，进行连接点自动匹配、自动空中三角测量、添加控制点区域平差、影像拼接等处理后，得到数字地表模型（DSM）、数字正射影像图（DOM）成果，如下图3、图4所示。

4 结果分析

4.1 理论精度分析

空三加密采用光束法局部平差法，在数据处理后会自动生成质量报告，报告包括无人机影像分辨率、图像质量检查结果、像点的坐标、各个控制点误差和水平方向平均误差、垂直方向平均误差、水平方向均方根误差（RMSE）、垂直方向均方根误差等，如下表3。

由该质量报告可以得出，各控制点水平方向（X、Y）误差最大为36.3cm，最小为0.6cm;水平方向X平均误差为-1.69cm，Y平均误差为1.87cm，垂直方向Z平均误差为-7.12cm;均方根误差水平方向X为-17.65cm， Y为10.86cm，垂直方向Z为28.69cm。可以看出，在水平方向的误差值相对于垂直方向误差较小，说明使用无人机影像制作DOM成果比DEM成果质量精度高。

4.2 实测精度分析

4.2.1 影像对比

J1、J2、J3、J4、J5、J6為RTK测得6个检验点，通过ARCGIS将6个检验点与DOM成果套合，结果如下图所示（红色圆点为检验点准确坐标位置）。可以看出，DOM成果与实际位置（交叉折点）几乎吻合。

4.2.2 精度测评

区域网通过添加控制点进行平差计算后，对于成果的精度误差，通常可通过未参与平差计算的外业测量检验点对误差的期望和均方差进行估算。期望（μ_x）和均方差（δ_x）计算公式如下：

首先在DOM成果图上找到六个检验点实际位置，计算出该位置坐标并与RTK外业测量检验点坐标进行对比，计算出误差值，再根据上式分别计算出期望值与均方差值。如下表所示可以看出，水平方向X误差的期望值和均方差分别为5.87cm、4.11cm;水平方向Y分别为7.85cm、4.20cm。因此，实际精度测试结果与理论精度结果一致，均达到厘米级。

4.3 效率与经济效益分析

质量、效率、经济效益是评判一件产品的基本因素。消费级无人机数据的质量精度可达厘米级，可达到绝大多数行业的应用。此次消费级无人机影像数据快拼精度分析测试，测区范围1.3km*1.3km，面积约为1.69km²。在航飞阶段，从布置测区到开始飞行到最终返航只需1台消费级无人机花费1-2个小时;后期数据处理阶段，亦可借助快拼软件简单快速处理得到DOM成果。消费级无人机体型较小，飞行操作十分灵活，且成本远远低于大型专业级无人机，因此对于小区域的测绘，消费级无人机具有高质量、高效率、高效益、低成本的优势，可广泛应用于野外测绘工作。

5 结论

综上所述，消费级无人机影像数据精度可达厘米级，完全满足野外地理和生态调查工作者等的作业需求，为这些野外工作者提供了一种低成本、便于携带、快速灵活与精确获取地形信息的新型量测手段，其在小区域的测绘应用将会越来越广。

参考文献

[1]董竞遥.无人机航测技术的发展与应用探讨[J].山东工业技术，2018，（12）.

[2]陈宏敏，杨朝辉.无人机影像自动拼接方法[J].测绘技术装备，2013，（03）.

[3]耿智海，杨俊凯，颜惠庆，等.消费级无人机在长江沿岸地形测量中的应用[J].中国水运（下半月），2018，18（06）：208-209+212.