无人机航测精度的影响因素初探

康伟伟

新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司 新疆 石河子 832000

引言

随着我国经济实力的快速提升，我国迎来了高速发展的全新时代，测量工程数量不断增多，无人机测绘可以在实际的工程测量中得到更加准确的数据，还可以简化测绘操作流程，有利于操作人员进行较高难度的测量工作，缩短工程的测量工期，提高工程设计的精确度。

1 航测系统组成及工作模式

无人机航测是在传统航空测量基础上的有力补充，也是目前社会中较为流行的勘探技术，主要由任务载荷系统和无人飞行器等系统构建而成，自身具有多项科学、先进的科学技术，突破了传统的土地测试观念，实现了无人飞行工作，主要应用在国土监察、土地资源开发、土地整治、新农村和小城镇建设等方面，准确采集各地区土地环境和空间的信息。随着时间的推移，无人机航测技术积累了丰富的实践经验，自身的安全性与准确性也得到了明显提高，同时受到了社会各行各业的广泛应用。无人机航测系统由无人机飞行平台、飞行控制系统、航空摄影设备、数传系统、图传系统、电台、地面工作站等系统组成。目前无人机使用的定位技术主要有RTK模式和PPK模式，RTK模式主要是给飞控提供实时的高精度的位置、速度等信息，可完全达到免像控要求，这个对电台的刷新频率要求较高；PPK模式主要称为动态后处理技术，与航测联系更加紧密，需进行像控点测量。

无人机航空数字测量技术的应用优势：从技术体系角度来讲，无人机航空数字测量技术是建立在无人机的基础上，与航空摄影测量技术体系共同构建的融合性技术方案，能够结合当前的测绘工作需求，打造智能化的测绘技术。在当前的国土监察、工程测绘、应急灾害处理等领域，都有较广泛的应用[1]。从应用优势角度来讲，无人机航空数字测量技术具有较强的响应能力，在数据获取以及分析的过程中有着较高的精准度，同时灵活性以及机动性较强，经济效益较高。从实际应用的角度来讲，由于无人机体型较小、自重较轻，可以有效应对人员无法进入的部分环境，从而提升数字测绘的有效性，进一步拓展工程测绘的范围和内容。除此之外，无人机携带的数字设备具有较强的抗干扰能力，能够有效应对多种不良环境，在恶劣环境下依旧有较高的测绘精准度。当前，无人机航空数字测量技术建立在信息技术全面发展的基础上，其技术体系已经逐步丰富，能够有效应对不同的测绘任务，具有较强的应用效率，且发展空间较为广阔。

2 无人机航测精度的影响因素

2.1 像控点

像控点成果的好坏对无人机航摄测量的质量和效率有着至关重要的影响，其质量主要受到以下两方面因素的影响：一是像控点布设的合理性，由于无人机航摄像片的画幅比较小，相片数量比较多，需要大量外业像控点的支持，因此只有合理地布摄像控点，才能保证航摄测量的精度以及节约人力物力；二是像控点测量的准确性，在合理布设的基础上，还需要通过GPS等常用测量工具对像控点坐标进行准确量测，使其精度符合行业标准。

2.2 天气影响

无人机的飞行状态会因天气状况而发生变化，一方面亮度影响图像的曝光值，相邻物体之间密度差也影响图片的对比度，而反映图像对比度的因素就是日光部分的亮度和阴影；另一方面无人机飞行状态的改变导致测量时的侧向倾斜度及旋转角度，造成所拍摄的图像清晰度不高甚至模糊。另外，由于无人机采用高度较低的低空飞行，与地面拍摄物体的相对速度较大，在曝光时成像表面上的物体图像发生位移，会出现图像偏移，影响图像质量[2]。

2.3 镜头畸变

无人机航摄采用的相机一般为普通家用全画幅相机，镜头畸变差大，尤其是镜头边缘部分，这是造成三维模型精度不均匀的主要原因。所以为了提高精度，可以根据空中三角测量成果求得的相机畸变参数对相片进行畸变纠正，并加大航空摄影过程中相片重叠度。

3 无人机航测精度控制措施

3.1 像控布点方案和空三解算

目前，倾斜摄影空中三角测量仍大都采用传统的POS辅助空三解算，其主要步骤包括连接点提取和光束法区域网平差两部分。倾斜影像连接点提取一般采用的思路是：利用POS系统提供的多视影像外方位元素作为初始值，采用SIFT、ASIFT（尺度和仿射不变特征算法）算法来进行多视影像的特征匹配，获取影像间的连接点。光束法区域网平差是空中三角测量的主流方法，算法理论严密、加密精度最高。该方法同样适合多视影像的空中三角测量。利用ContextCapture软件，可全自动进行空三加密解算。在Context Capture软件中新建工程，提交影像数据第一遍空三运算处理，基于POS数据进行连接点提取，即相当于传统空三测量的相对定向。在相对定向合格的基础上，导入像控点数据，进行绝对定向和光束法区域网平差计算，从而恢复地物间的空间位置关系。

3.2 航摄作业过程

在进行无人机航摄作业时，尽量选择晴朗的天气，首先是充分考虑测区内障碍物的高度，并根据测绘精度要求，设置好飞行航高，保证飞行安全以及航片质量要求；其次应是综合考虑作业时间、作业需求，合理设置航向及旁向重叠度，建议可适当增大重叠度的设置，以防止无人机由于偏航或航高的起伏变化导致重叠度不够的情况发生；再次还需根据天气情况、无人机飞行速度等，合理设置所搭载相机的快门速度、感光度、光圈大小等参数，才能避免航摄像片出现拉花拖影、曝光过度或者黑暗模糊等影响相片质量的情况；最后在无人机航飞结束之后，应打开相机，对所采集的航摄像片进行逐一检查，检查是否有不符合质量要求的照片，并根据其数量及涉及区域大小进行评估是否需要重新航飞采集。无论是多旋翼无人机还是固定翼无人机，都存在航飞速度慢、搭载相机的画幅小的问题，因此无人机航摄测量的作业效率一直备受诟病，但多频无线测控技术的发展使得采用多架无人机共同协作进行航测作业成为现实。在同一测区内，对每架无人机进行不同的航测区域及任务分工，在保证安全的情况下，多架无人机同时进行航飞作业。这样的操作方式，缩短了影像的获取时间，大大地提高了无人机航测的作业效率且极大地保障了测区影像的完整性。

3.3 模糊综合评价理论

在创建模糊性问题综合评价体系过程中，应全面考虑可操作性、整体性与全面性原则，主要由评语集、类别集与指标集等部分组成。评语集描述精度等级，影响建模精度因子，分为数据获取与处理两种类别。层次分析法在创建两两判断矩阵阶段，通常忽略了人为判断的不确定性，指标权重是根据专家的经验判断，给出几组模糊量，这些数值不能定量描述，计算三角模糊数改进指标权重，可以规避人为不确定性，解决不能准确度量的问题，加强评价结果的科学性[3]。模糊综合评价法属于模糊数学在实际工程中的应用，根本是利用经典数学工具，将模糊定性问题转变成定量问题，隶属度可以描述事物拥有某种属性的程度，综合评价指标因子包括连续型与离散型两种，连续型就是变量的取值在某个范围内全部的值，离散型就是变量的取值有限。连续型指标因子包括航高与航向重叠率，利用F分布法确定隶属度。空中三角测量对于无人机倾斜摄影测量技术有至关重要的作用，计算精度和决定了三维重构模型结果，中误差是主要的精度评价标准，计算公式为。

经过统计数据分析可知，倾斜空三精度的影响主要在边角位置，监控控制点的密度点和倾斜影响空三精度息息相关。按照平面中误差标准和高程中误差标准评定实景三维模型的精度，参考各个检查点的平面、高程中的误差数据得出误差直方图，控制点的数量和模型精度呈正比，只增加控制单元无法确保模型精度的提高，控制点处在饱和状态时，模型精度水平基本维持不变。构建实景模型之后，能够生成直观性较强的数据模型，在系统模型上得以开展，得到三维的地理坐标系，在这个模型的基础上测量相关距离，通过比例尺进行测算，得出实际距离。三维建模的本质为实物的模拟呈现，只是近似模拟，同真实实物存在差异，所以无法全部显现详细信息，要借助评价指标衡量数据精度。

3.4 航拍影像数据的处理

在进行测量工作时，无人机遥感技术可以一边收集数据，一边处理数据，提升了测绘结果的准确性，使数据真实有效。目前，无人机遥感测绘技术在处理信息数据时，一般会运用数码影像排列的方法，这就要求必须调整好无人机测量的角度，以免造成航拍影像堆叠、测绘数据图像扭曲变形的问题[4]。基于此，在实际工作中，工作人员会在无人机的上方安装数码相机，通过相机的变焦镜头，从不同测量角度进行影像的拍摄，便于后续数据的处理。在进行数据分析时，工作人员可以使用具有独立性质的实景三维建模软件PhotoscanR进行分析，通过该软件实现对实拍图像的归纳和处理，准确定位图像的具体位置和实际情况，并根据实际图像形成3D空间的数据。

3.5 控制策略保障

常规无人机控制策略以及早期对无人机控制的尝试都是建立在线性飞行控制理论上。为解决只需一些飞行试验和飞行数据就能保证无人机飞行稳定的不确定性问题，模糊控制方法面向解决模型不确定性，在模型未知的情况下能确保对无人机的控制；神经网络自适应控制技术能有效地解决多种不确定的、难以确切描述的非线性复杂过程的控制问题，其能提高控制系统的鲁棒性、容错性，且控制参数具有自适应和自学习能力。此外，为克服某些线性控制方法的局限，保障无人机的稳定飞行，模型预测控制是通过在每一个采样瞬间求解一个有限时域开环的最优控制问题来获得当前控制动作；自适应控制方法会随着模型的不断改善，由模型得到的控制作用也会跟着改进，具有一定的适应能力，但反馈控制复杂，成本很高。

3.6 精确航拍技术研究

获得一个精准的倾斜摄影模型需要优秀的航拍技术。就飞行环境而言，无人机航拍需注意风力不宜超过3级、保证飞行器与控制器的GPS信号、飞行器电池电量、保证飞行器与周边建筑及树木的距离、限飞及限高等因素[5]。在拍摄手法上，航拍路线极为重要，“拍照模式”可选择等间隔拍摄或等时差拍摄，需注意的是，“等距间隔拍照”中拍照间隔越短，飞行速度越慢，所需飞行时间越长，拍照数量不变；“等时间隔拍照”中拍照间隔越短，飞行速度越快，飞行时间越短，拍照数量越多，在确保电池电量情况下，增加拍摄照片数量，增加单次巡航航程，调高照片重复覆盖比例，都能有效提高倾斜摄影模型的质量。针对体量较大的工程，如道路，在航拍每段工程时，应确保飞行高度一致、飞行区域大小一致，且相邻两端航拍照片有重合点。

4 结束语

综上所述，无人机航测技术得益于社会发展和科学技术进步得到了大力发展，利用无人机航空摄影数字测绘技术进行测绘工程的技术创新，不仅能够优化原有的测绘方式，而且可靠性、精准性、灵活性较强。将其应用到多种行业当中都可以取得令人瞩目的成绩，尤其是在工程测量当中的应用，不仅有效改善了传统测量工作当中的弊端，还对工程测量工作进行了彻底的革新。