无人机航测精度提升方法研究

赵吉庆，蔡 鹏

（1 江苏航空职业技术学院 江苏 镇江 212000）

（2 镇江市无人机应用创新重点实验室 江苏 镇江 212000）

0 引言

随着航空航天技术的不断发展，如何通过航天技术实现对地球空间信息的快速、实时获取，对于保障国家安全和经济发展具有重大意义。 在此背景下，无人机航拍系统应运而生，国内外学者对无人机航拍系统的问题开展了大量的研究工作，主要包括无人机自身的改进、无人机航拍图像的精度提高、无人机航拍图像的无缝拼接技术等。 在无人机航拍系统的基础上又研发出无人机航测技术。 无人机航测技术是一种综合了低空航拍、传感器、数据处理等技术的航空摄影测量技术。 相对于传统的航空摄影方式，无人机的空中摄影系统能够根据特定的任务需求，得到各种空间数据，然后根据获取后的数据进行三维建模，获取4D 产品，是数字孪生的主要技术支持手段。 但无人机航测方式也存在着一些缺陷和问题，比如由于无人机体积小、重量轻、易受气流的影响使测量的精度无法满足实际要求。 像控点的布设、飞行高度、重叠率、天气因素和相机本身也同样影响着航测精度。 航测精度受到影响后，后续构建的三维模型的精度也会降低，所以研究提高无人机航测精度的方法很有必要［1］。

1 无人机航测系统

无人机航测系统通过使用摄影测量软件，将遥感技术、数据传输技术和图像处理技术有机结合起来，从而获得更加准确、高效的测绘数据。 这种测绘技术的数据和图像获取具有高效率和高精度等优点，具有很强的实用性［2］。 无人机航测系统主要包括以下几个部分：

（1）无人机

在整个系统中，无人机是无人机航测系统的重要组成部分，是数据采集的主要对象，主要包括引擎、转向器、飞控系统、无线通信系统、全球定位系统、位姿检测系统、自回馈稳定平台等部分。

（2）传感器

无人机航测系统中另一个重要的部分是传感器。 航测系统中的传感器可分为数码照相机、红外照相机、高光谱照相机等，用于高效地获取影像数据。

（3）无线通信技术

无线通信技术在无人机航测系统中也是不可或缺的一环。 在无人机航测系统中采用的通信技术为无线编码正交频分复用（ coded orthogonal frequency division multiplexing， COFDM）技术，可实现点对点的实时数据传送，并可进行高清晰度的图像传送。 地面控制系统主要是利用无线通信系统来设定无人机的飞行路线，收集飞行参数，接收并监视从任务传感器收集到的数据，并根据参数来对飞行姿态和任务进行实时调整［3］。

2 无人机航测影响因素分析

2.1 无人机航测设备

无人机航测设备是完成无人机流程所必需的基础条件，无人机航测的精度在一定程度上也取决于设备的优良情况。 例如，如果无人机搭载的为非测量相机，其拍摄的照片会产生较大的畸变，尤其是无人机倾斜摄影测量作业时，这些会直接影响无人机航测的精度。 除此以外，无人机本身是否能够正常飞行也是影响无人机航测精度的重要原因［4］。

2.2 像控点布设影响

像控点是无人机航测中控制加密和测图的基础。 因此，如何选择适当的控制点数，并对其进行合理的控制，对于提高无人机的成像质量至关重要。 像控点布局的科学合理能够有效地提升成像精度，为实际工程提供有意义的参考；相反，不科学的像控点布局将导致成像精度下降，进而影响项目的顺利实施。

2.3 飞行高度的影响

无人机的飞行高度是影响无人机航测精度的一个重要指标，它不仅会影响航空摄影像元的尺寸，还会影响摄影图像的幅面尺寸，进而影响图像合成过程中的交叠程度。 无人机的飞行高度越小、离地越近，精度相对越高；无人机的飞行高度越大，精度相对也就越低。 在进行实地勘测时，要根据地形、建筑物等因素选择合适的飞行高度。

2.4 其他因素

天气条件的改变会影响无人机的飞行状态，也会影响无人机对图像的采集。 光线会对图像的曝光量产生影响。除此以外，无人机近距离飞行时，拍摄对象之间的明暗度差别会对相片的反差产生一定的影响。 当中午时分照相时，就可分辨出天上和地上的差别［5－8］。 无人机在飞行过程中，会因飞行姿态的改变而产生测量数据的侧倾、旋转等，导致测量数据的失真或模糊。 这些都是由于无人机的低空飞行造成的。

3 无人机航测精度提高方法

3.1 提高像控点精度

像控点和无人机航测的精度密切相关，其精度直接影响无人机航测的成果精度。 所以提高像控点精度可以提高无人机航测精度。 像控点精度包括像控点的测量精度和像控点影像目标精度。 利用GPS 进行像控点测量，其精度在5 cm 以内，可以满足大比例尺成图的技术要求。像控点图像对象的精确性依赖于图像纹理的丰富性。 当图像纹理很差时，图像内部旋转点的偏差会在2 ～3 个像素之间。 针对无人机航迹图像重叠程度高的特点，通过先设置像控点，后进行航迹拍摄，可以将内部航迹定位精度提高到1.5 个像素以下，将像控点定位精度提高到0.1 m以内，还可以解决图像控点定位不均的问题。 图1 为制作后的像控点图。

图1 像控点图

3.2 无人机相机的畸变纠正

针对无人机携带的非量测相机图像失真严重、校正结果不稳定等问题，提出了改进非量测相机失真参数的方法。一是通过构建立体控制区，实时监测摄像机在飞行过程中的失真情况；二是对摄像机镜头进行固定，以减少摄像机变形参数的改变对加密效果的影响。 具体的矫正方法是：首先，对普通相机进行检校，获得相机的失真参数；其次，将普通的单反相机改造成专业的可测量相机，使检校后的相机所拍摄的图像转换成标准的中心投影图像；最后，通过对径向和切向的畸变差进行校正，并结合多个校验区观测点与目标点的实际误差，得出利用最小二乘法对单反相机变形参数进行逼近的结论。 通过上述方法的纠正后，可以将图像的枕形畸变和桶形畸变进行纠正，如图2 所示。

图2 畸变纠正

3.3 选择合适的飞行高度

飞行高度对影像地面采样距离（ground sample distance， GSD）的影响最大，它体现了像元与真实距离之间的联系，而尺度则体现了影像中距离与真实距离之间的联系。 飞行高度的改变势必会对航空摄影照片的画幅产生影响。 当飞机高度接近地面时，GSD 值较低，其计算精度也较高。 在起伏较大的区域，选择适当的飞行高度对于提高飞行精度具有十分重要的意义。

3.4 实验验证

为验证所提无人机航测精度提升方法的实用性，本文选取某高校作为实验场地进行航测建模。 无人机航测过程采用大疆M300 无人机搭载P1 镜头。 P1 镜头经过矫正，选择80 m 飞行高度，校园内布设8 个像控点，采集部分图片如图3 所示。

图3 航测影像

获得航测影像后，为验证本文所提出方法的有效性，对所采集的数据进行三维建模，之后生成正射影像，结果如图4 所示。 从正射影像上可以看出，无人机航测精度较好，文章所提方法具有一定效果。

图4 建模结果

4 结语

随着实景三维项目的推进实施以及数字孪生理念的推广，无人机航测技术得到越来越广泛的应用。 本文首先对无人机航测的系统组成进行了详细的阐述；其次对影响无人机航测的因素进行了重点分析，包括相片倾角、像控点布设、飞行高度、天气等因素；最后针对上述因素，提出了对应的提高航测精度的方法，包括提高像控点精度、无人机相机的畸变纠正等。 利用本文所研究的方法进行三维建模实验，实验结果证明该方法对提升航测精度具有一定的作用。