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无人机航测影像精度提升方法研究张毅

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张毅

[导读] 摘要：随着经济的快速发展和城市化进程的加快，传统数字化地形图的测制和更新越来越需要新测绘手段的加入与新测绘技术的支撑。

        长春市测绘院吉林省长春市 130000
        摘要：随着经济的快速发展和城市化进程的加快，传统数字化地形图的测制和更新越来越需要新测绘手段的加入与新测绘技术的支撑。近年来，无人机航测技术在农业、建筑水利领域得到了广泛应用，但是在地图及地上物测绘精度上依然存在不足。一般来说，Google Earth等遥感手段仍然是了解研究区域的最快和最简单的方法，但它仅具备20—50m的遥感精确度，对研究区域进行调查观察则可获得极高精度的基础资料，但过程复杂、耗时较长。
        关键词：无人机航测；影像精度；提升方法
        引言
        当前，高分辨率无人机影像在大比例尺测图中应用广泛，像控点的布设方式是影响无人机地形图测绘效率及精度的关键因素。传统无人机大比例尺测图需要大量野外像控点，探讨像控点的优化布设方案可使测图工作更加高效，成图精度更高。平原地区承载大量经济、工程建设，对测绘地理信息产品需求更多，已有研究多针对某一具体工程应用中像控点布设方式进行分析，未深入研究平原地区像控点分布与成图精度间的关系以及精度提升措施。另外，无人机航片高精度定位定向系统（POS）数据对空三加密成果以及测图成果精度有显著影响，目前对其尚缺乏研究分析和实践验证。
        1倾斜摄影技术测量原理
        传统空三测量对倾斜影像数据处理效果不理想，所以需要结合飞机传感器提供的POS外方位元素数据进行联合平差，同时结合现场布设的控制点进行联合平差，通过误差方程解算出影像的外方位元素，以前方交会的形式求出点位的三维坐标。倾斜摄影测量还用到了多影像密集匹配技术，利用求得的外方位元素构建立体像对，采用多影像匹配技术获取密集点云数据，由于多角度摄像形成了大量冗余点云数据，所以可以通过这些冗余数据校正错误的匹配信息，提高点云数据精度。经过多影像密集匹配后得到了能够表达地物表面起伏的高分辨率数字模型（DSM），通过软件分析，将合适的影像像素与DSM融合，形成统一的数字表面模型。再经过正射影像纠正步骤，建立全局优化采样策略，联合几何延伸特征进行纠正，最后才能得到我们所需要的数字模型。
        2已有像控点布设方法分析
        无人机测图关键技术包括航线设计、像控点布设、影像预处理、影像匹配、空中三角测量解算及3D成果产品的制作等。上述关键技术应用在无人机低空数字摄影测量作业流程及影像处理阶段，对成果的质量有重要影响。其中，像控点布设的数量及分布方式会直接影响成图精度且是当前研究热点。内业影像数据处理多基于光束法区域网空中三角测量平差进行，在保证测图精度的同时对像控点数量的要求大大降低，但已有摄影测量像控点布点方式要求布设像控点较多。因此，深入分析已有像控点布设方式及其关键技术，以期保证精度的同时优化像控点布点方式并减少外业工作量。无人机测图控制测量包括像控点的外业控制测量及像控点的内业刺点，内业刺点主要是人机交互的过程，外业布点要求相对较高。外业像控点要求布设在成像清晰且上空开阔的区域、避免航片的边缘，另外像控点应尽量被多张航片拍摄，以便控制多航片。外业像控点布设方法有全野外法和非全野外法，全野外法布点工作量大、效率较低，目前主要采用非全野外法布设像控点，其包括航线网法和区域网法。非全野外像控点布设方法需要少量的像控点，基于解析空中三角测量进行区域网平差，进而获取加密点的坐标。
        3数据校准
        数据校准的前提是进行摄像机标定，以确定用于图像采集的摄像机参数。在使用摄影测量软件进行图像处理的过程中，这些参数是内部定位所必需的基础信息。

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在PＲ新村测绘项目中，摄像机标定采用的是尺寸约为0．6m×0．6m，由36个不同高度的反射目标组成的平板标定，摄像机和校准板之间的距离大致相同。拍摄的图像在校准Australis软件中进行处理，Australis软件运算过程中需要读取像素大小、水平分辨率、图像数量等信息，最后，该软件将自动生成摄像机的参数。相机校准后，残差为0．681μm，图像坐标的均方差约为0．27μm。
        4非常规无人机航测系统
        相比于常规无人机飞行器，非常规无人机飞行器造价成本较低，因为其使用方便、造价低、体积小，对于环境的要求比较低、具有智能化的特点逐渐由军事领域拓展至多个行业的应用，其特点主要有以下三点：第一，非量测相机，之所以无人机飞行器能够得到广泛的应用，主要是因其配载的遥感设备已经逐渐普遍，已经不再是重量沉重、造价昂贵、小型飞行器无法配载量测相机。非量测相机因为其内方位未知，因此其拍摄到的图像没有准确的位置关系，同时因为畸变系数性能不稳定，因此无法直接对像位进行计算解析。现阶段一般情况下通过处理软件对相机的参数加以标定，然后对所获取的数据信息进行处理，从而获得图像具体的几个位置，但是在精度方面还需要加以提高。第二，飞行姿态不稳定，因为无人机飞行器是需要通过远程进行遥控的，因此根据测量摄影最低标准，规定的航向重叠度应当高于53百分之，旁向的重叠度应当高度15百分之，因为难以进行有效的控制，同时飞行器的飞行高度不能忽高忽低，同时因为非常规无人机飞行器重量轻、机身体积小，在空中容易受到气流的影响、地形条件影响、摄影区域地物变化，因此在重叠度方面会出现误差，特别是对于大比例影响图进行制作时，对飞行姿态和航迹的控制较为困难，航向重叠度高于60百分之、旁向重叠度高于30百分之，无人机飞行器姿态角控制在正负三度以内便能够符合要求。按照微型无人机的特性，其旁向重叠度保持在35至55百分之之间、航向重叠度保持在70至85百分之之间、姿态角保持在正负10度即可，另外还需要确保三度重叠的部门满足要求。如果无人机飞行器的姿态角不稳定则会产生以下三点影响：首先，飞行器航迹会受到影响，发生改变；其次，航射仪定向和整平困难；最后，由于重叠度增大，导致等同面积摄影区域需要摄像更多照片进行覆盖，进而造成计算量、处理任务增加。第三，因为无人机对电磁环境具有极高的要求，如果飞行区域周围设置有高压电网，那么其飞行路线和内部程序会因电磁原因受到干扰，情况严重的话会导致飞行器坠毁，另外电磁干扰会对信息数据的传输和质量造成影响。
        结语
        总之，采用无人机航空摄影进行地形图的测绘，解决了因地形复杂人工无法测绘等问题，获得的成果资料能够满足规范要求，达到1∶1000地形图精度指标，为无人机航测技术积累了经验，并得出以下结论：1）机动灵活，受测区地形影响小。对起降场地的要求小，特别是多旋翼无人机，1min可实现垂直起降，无需专用场地，操作便捷，能够解决人工无法到达的复杂环境进行作业。2）费用低。使用无人机航空摄影测量技术，大大减少传统数字化测图的外业工作量，外业调绘量平均可降低70%以上，改变了传统测绘工作模式，航测费用大约是人测费用的1/10。3）工期短，节省人力。4）精度均匀，成果直观。
        参考文献：
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        ［2］张纯斌，杨胜天，赵长森，等．小型消费级无人机地形数据精度验证［J］．遥感学报，2018，22（1）：185－195．
        ［3］史俊莉．无人机航拍图像配准算法研究［J］．郑州轻工业学院学报：自然科学版，2015（1）：63－66．
        ［4］胡见莲．无人机技术应用新方向及向往［J］．中国设备工程，2017（2）：139－140．