无人机低空摄影在面积量算上的可行性分析

李克

摘要： 该项目以不同航高的外业实测影像数据为研究对象，围绕无人机低空摄影测量技术的特点、摄影外业控制测量方法、无人机施测方案等对无人机低空摄影测量技术在面积量算上所能达到的精度水平进行分析，寻求找到一种速度快、精度高的面积测量方法。

Abstract： In this project， the measured image data of different aerial surveys are taken as the research object. Focusing on the characteristics of UAV low-altitude photogrammetry， photogrammetry field control surveying methods and UAV surveying scheme， the level of accuracy that can be achieved of low-altitude photogrammetry on an area calculation is analyzed， and a fast and accurate area calculation method is obtained.

关键词： 无人机；低空摄影测量；面积量算

Key words： UAV；low-altitude photogrammetry；area calculation

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）06-0164-03

0 引言

在许多经济建设部门的测绘工作中，常需要测定某一区域任意多边形的面积。比如说在农业生产中，土地面积的测量是农业生产的基础，它是农业生产经营管理中最基本的数据之一，土地面积的大小是进行合理规划、耕种和计算所需的种子和肥料的基础，同时也是农业机械化设备进行田间作业、计算工时和收费的主要依据。在水利行业中，计算水库中的水容量所需的一个可靠的数据就是水域面积，水域面积的准确测量有助于准确地了解水库中水的库容量，为在洪涝或者干旱时期的蓄水和排水提供有效而又可靠的依据，面对这些面积量测工作，采用传统的数据采集方法虽然数据采集精度高，但测量速度慢、外业工作劳动强度大而且危险性较高，因此本文采用无人机低空摄影测量方法采集测区面积并通过测量结果精度研究该方法的可行性。

1 无人机选择

考虑到大型航摄平台系统本身的复杂性，无人机低空摄影测量最常用到的空中操作平台是固定翼和多旋翼无人机。固定翼无人机起降场地要求高。飞机包装箱大不方便外业运输、固定翼操作学习复杂，飞行远，危险系数高不适合该项目实验，而多旋翼轻小型无人机具有可在空中悬停、航速较慢、起飞和着陆方便，对场地没有特殊要求、成本低、机动性高等特点，这些特点决定了其在许多领域具有独特的优势。多旋翼轻小型无人机应用于低空摄影测量领域，也是近年来摄影测量的一大研究热点。但是由于该种无人机存在容积小、有效荷载小等特点，只能携带体积较小的非量测性普通摄影机，并且稳定性差、受外界环境影响大。相对于传统航空摄影测量技术来说，想要利用轻小型无人机达到高精度的测量结果基本上是不可能的。因此在实验中我们只利用这种多旋翼轻小型无人机进行面积测量，同时为了验证实验结果的可靠性，在实验中我们采用两种不同价位的多旋翼无人机，腾云智航IflyD6（22万）和大疆Phantom4 pro（1.5万），其中腾云智航IflyD6在飞行高度、抗风能力、相机像素上相对于大疆都有比较大的优势。

2 外业控制测量

2.1 测区概述

①测区地理位置：河北省迁安市华北理工大学迁安学院数字测图实习基地，东至燕山大路，西至滨湖东路，北至惠兴大街，南至迁安职教中心。占地面积约为0.93平方公里。

②测区气候特点： 该地区属于暖温带半湿润季风性气候，春季风多雨少，蒸发量大，夏季高温高湿雨水集中、秋季风速较大，冬季雾霾天严重， 全年雨量集中在7、8两个月。根据实际气候条件，拍攝时间定于6月份。

2.2 摄影外业控制测量方案

外业控制测量由基础控制测量和像控点联测构成。像片控制点有三种类型可供选择，即平面控制点、高程控制点和平面高程控制点，因为该项目主要研究面积测量的精度，所以布设的控制点主要是平面控制点，各控制点的布设应满足全测区统一布设、统一测量、成图满幅等要求，并选择全野外布点方案，所用到的像片控制点均由外业测定。

根据项目内容，该项目布设控制点的布设要求不是很高，但要注意：①像片控制点尽量不要布设在像片边缘。因物镜镜头的分解力、感光材料的伸缩变形和投影误差、倾斜误差、底片压平等因素的影响，使得像片边缘产生的影像变形和像点移位，都比像片中心要大，并且影像边缘部分清晰度差，导致像片控制点的判读、刺点和量测困难。②为了适应不同航高的影像上都有足够的像控点，要保证像控点要布设均匀并有足够的数量，特殊情况下可以选取特征明显的碎步。控制点选点要求：①安全性。便于安置仪器，考虑地面湿滑、来往车辆等对人身和仪器安全的影响。②实用性。点位间通视良好、便于测角量距。③便利性。导线点选好后须做好标记，便于寻找。

3 无人机施测方案

本次航空摄影必须选择能见度大于1千米的碧空天气或少云天气，尽量保持各飞行架次气象条件基本一致。正是施测之前要进行试飞试照工作，并及时分析处理试照的影像，为正式作业做好准备工作。 一切准备就绪后，等待合适的航摄天气，对航摄硬件进行检查维护，确保设备处于最佳状态，待到能见度好，碧空无云的晴朗好天气时，在不同航高下进行逐条航线的进行航空摄影工作，争取在同一架次或相似的气候条件下执行航飞任务。对提交的成果影像要保证单张彩色像片影像清晰，能够正确地辨认出各种地物，能够精确地绘出地物的轮廓，相邻的影像间相同地物色调基本一致，整个摄区的像片色调效果也要基本均匀一致。endprint

4 实验结果分析

①实验一：分别利用腾云智航IflyD6和大疆Phantom4 pro无人机在不同航高下对测区进行面积测量结果，考虑到做两种无人机的对比实验，而大疆无人机飞行高度适合于300m以下，超过该高度就会发生无人机信号失联的情况，所以我们主要的实验航高为100m-300m。由于IflyD6飞行高度可达3000m，这是实验中增加该型号无人机的飞行航高。通过腾云智航IflyD6配备的正射影像处理软件PIX4D，完成对影像拼接和正射处理并测从测区中选择一块绿化带，在不同航高下测量绿化带面积，利用全站仪数字测图技术对该绿化带测量的结果为1184.66m2，利用手持GPS测量结果为1165.10m2，假设全站仪测量结果为理论值，手持GPS相对测量精度为1.6%，表1为不同无人机不同航高下的面积测量结果对比。

实验结果分析：通过该方案我们可以看出，由于IflyD6腾云智航IflyD6无人机的测量精度和测量结果的稳定性要明显高于大疆无人，并且随着飞行高度的升高，测量相对精度逐渐降低，但精度降低不是很明显，由在100-300m之间，相对精度发生起伏，也未呈线性分布，这与影像拼接、正射处理以及矢量化精度有一定关系，但整体来说，通过无人机进行面积量测，其测量精度要高于手持GPS的测量结果。

②利用IflyD6无人机在航高为300m处，对测区进行拍摄，研究并验证测量面积的大小与测量精度的关系。同时与不进行影像配准，仅利用解析法进行面积计算得到的结果进行对比分析。

解析法步骤如下：

1）将航摄影像导入到CASS中，量测两控制点间距离D1。

2）实地量测两控制点间距离D2，计算影像比例尺D1/ D2。

3）对航摄影像矢量化，利用cass菜单中工程应用项实体面积计算计算测区面积S1。

4）航测面积= S1*（D1/ D2）2。

我们假设全站仪数字测图采集的面积为理论面积，通过对矫正后的航片矢量化测得的面积为实测面积。测量结果见表2。

实验结果分析：通过该方案可以看出利用无人机进行面积测量是可以采用解析法进行计算并且也能够达到较高的精度，但当测区面积较小或较大时，精度会降低。

③实验三：通过实验一、和实验二可以得出利用无人机进行面积测量可以得到较高的面积测量结果，但采用上述方法需要布设控制点，航片需要正射处理，图像拼接，这就需要有专业技术人员来完成，如果不做以上工作，只利用无人机进行航拍，并直接采用解析法进行面积测量，那实验精度是否也能达到比较高的精度呢，因此实验三我们利用解析法对未进行处理的影像在不同航高下进行面积测量并和实验二的数据进行对比，看该方法能否达到精度要求。

实验结果分析：通过实验三，可以看出航摄影像在不进行正射处理、不进行配准的情况下也能够通过解析法得到相对误差小于5%的精度，但这种方法由于省略了控制点布设、正射处理、影像拼接的步骤，只适用于区域较小，且独立成块的面积估算的。如果要进行大面积的水域或农田的面积估算，可以采用下载百度地图、谷歌地图利用解析法进行计算，不考虑遥感影像接缝处的误差，经实验该方法也可以得到小于5%的误差结果。

5 结论

通过实验我们可以分析，影响测量结果的原因大致有几种：①像控点选取误差；②控制测量与数字测图成果误差；③航摄影像处理误差（拼接、正射处理、配准）；④影像矢量化误差。这些误差共同影响着最终的面积测量成果。所以无人机面积测量的精度并不是随着飞行高度的升高而降低。利用解析法可以减小图像配准产生的误差，但该方法在精度上不是很稳定，适用于飞行高度较低、测区较小时的面积量算，而直接利用航摄像片计算面积，适合于小面积的快速估算。

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