无人机摄影测量误差分析

(成都理工大学 四川 成都 610059)

随着我国对及时获取多种复杂的地形与气候条件下精准的地理信息数据的要求，通过在技术上的不断创新，我国自主研发的无人机也不断问世，渐渐地成为传统航空摄影测量手段的有力补充。随后许多学者对其软件系统进行实验和研究，将UAV应用于接受电视广播信号，同时与摄影测量技术相结合，慢慢应用于各个遥感领域中，例如精准农业、应对紧急情况突发事件、海洋环境的快速评估、科学研究和交通管理等领域。

一、无人机摄影测量误差来源

由于无人机摄影测量系统的平台不容易操作，其容易受到空中气流的影响，造成航带偏移，飞行轨迹会发生不可控的改变，存在着像幅小、数量多、基高比小、影像倾角过大等问题，影像的倾角很大并且无规律。此外，由于无人机的传感器采用的非量测CCD数码相机会产生畸变差，其会给后面的空中三角形测量带来误差。无人机摄影测量误差来源归纳起来有以下几个因素：

相机畸变差：目前选用的传感器是CCD非量测数码相机，由于其感光单元的非正方形因子和非正交性以及畸变差的存在，加固改装以后的相机获取的航片存在着很大的畸变差，畸变差的存在使得后续步骤不能满足精度要求[1]。

像控点布设方案：由于人的感官能力有限并且不同，技术水平参差不齐，对于测区的认识程度不一样并且存在的工作人员态度好坏的问题，使得像控点的布设方案对于测区整体的控制会产生误差。

刺点精度：由于固定翼无人机像幅小，所以其可以供选择的像控点的点位位置范围相对较小，经常会出现在航片中找不到明显的好刺的地物，尤其是在荒野地区。像控点是否明显、铺设是否合理、影像反差是否理想以及刺点人员的认知都是制约刺点精度的因素。

飞行姿态：由于气候等外界因素具有不可控性和不确定性，天气状况会对无人机的飞行姿态和成像质量造成影响，具体表现为飞行姿态的不稳定会导致飞机的三个外方位角元素(航向倾角、旁向倾角、像片旋角)很大且没有规律。

同名像点匹配精度：同名像点匹配也叫提取连接点，其基本原理是根据相邻像对特征点及其周围点的灰度值来提取连接点。连接点提取精度较低会影响相对定向元素以及外方位元素的计算；连接点提取精度太高会导致迭代次数增多，数据处理效率降低。

二、试验方案

由于已经提出无人机摄影测量系统精度影响因素，所以在本次试验中，共提出了五套试验方案来验证所提出的这些因素。

A方案：在编辑相机文件输入相机参数时，第一次以航片不存在畸变差为基础输入相机参数，即像主点坐标平移(X，Y)，径向畸变系数K1，K2，K3，偏心畸变差P1，P2均为0；第二次以航片存在畸变差为基础输入相机参数，即按照“易检校“的检校结果输入相应的像主点平移以及畸变系数。通过比较两次不同相机参数所得到的正射影像图的精度验证相机畸变差对正射影像图精度的影响。

B方案：本次测试根据外业像控点布设的稀疏设定了4个方案。方案一:4个控制点，测区四角各1个;方案二:两排控制点，上下各3个控制点，共6个控制点;方案三:三排控制点，上下各3个控制点，中间两个控制点，方案四：测区四个角各1个点，中间两个点。评价一个测区平差结果主要看检查点和加密点的精度。

C方案：分别选择两位熟悉、不熟悉刺点流程的外业人员进行刺点，通过比较不同刺点精度下的平差报告结果验证刺点精度对正射影像图精度的影响。

D方案：由于无人机的重量较小，容易受到气流的影响导致飞机的飞行姿态变化很大且没有规律，此次的试验方案是使飞机在不同的天气的情况下进行航飞。

E方案：采用不同的连接点提取精度，通过两次的平差报告来验证连接点提取精度对正射影像图的影响。

三、结果与分析

(一)相机畸变对成图精度影响的分析。通过检查点的比较，可知未经过畸变差改正所成图的精度很低，越靠近航片边缘的地方存在的误差越大，这样的规律符合径向畸变差的计算公式。因此每次航测之前进行畸变差改正是必不可少的。

(二)像控点布设方案对成图精度影响的分析。成图精度随着像控点的增加会有一定程度的提高；通过比较方案二、四可知在像控点数量一致的情况下，像控点点位分布的合理性对成图精度也有影响；通过比较方案三、四可知在满足精度的前提下，应尽可能地减少外业测量像控点。

(三)飞行姿态对成图精度影响的分析。由于第一测区航测当天风速为5级，导致飞机pose数据中3个角元素变化很大；第二测区航测当天为微风，飞机pose数据中3个角元素相对稳定，根据pose参数以及计算的方差可以得出第一测区飞机飞行姿态不如第二测区飞机飞行姿态稳定，三个外方位角元素变化很大且没有规律。

(四)同名像点匹配精度对成图精度影响的分析。在同名像点匹配精度较低的前提下，检查点的(X、Y、Z)偏差在1米以上，且其对于高程的误差大于对于平面位置的误差。造成这种现象的原因是由于同名像点匹配精度很低，导致很多同名像点没有正确的匹配成功，导致在计算相对定向元素时相邻照片的相对位置与实际存在偏差，影响了相对定向元素的计算，进而影响绝对定向外方位元素的计算，最终影响成图精度。

四、结论

(1)畸变差的存在使航片产生变形，尤其对于航片的边缘点，其引起的误差可以达到20-40个像素。因此，航飞前必须进行相机检校，只有经过畸变差改正的航片才能用于空三解算。(2)低空摄影测量空三解算通常采用迭代平差，解算前需要输入姿态参数初始值(通常都为0)，因此飞行时应尽量保证无人机的稳定性，减小各种姿态角值，保证成果质量。(3)基于实测数据比较分析了不同像控点布设方案的成果质量，结果表明：单一架次像控点数量应大于6个，具体工程中，应根据测区大小科学合理地选择像控点数量和位置。(4)像控点应选择特征明显、地势平坦的点，空三解算时需准确刺点。