無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量誤差分析

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

隨著我國(guó)對(duì)及時(shí)獲取多種復(fù)雜的地形與氣候條件下精準(zhǔn)的地理信息數(shù)據(jù)的要求，通過(guò)在技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，我國(guó)自主研發(fā)的無(wú)人機(jī)也不斷問(wèn)世，漸漸地成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充。隨后許多學(xué)者對(duì)其軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，將UAV應(yīng)用于接受電視廣播信號(hào)，同時(shí)與攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，慢慢應(yīng)用于各個(gè)遙感領(lǐng)域中，例如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、應(yīng)對(duì)緊急情況突發(fā)事件、海洋環(huán)境的快速評(píng)估、科學(xué)研究和交通管理等領(lǐng)域。

一、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量誤差來(lái)源

由于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)的平臺(tái)不容易操作，其容易受到空中氣流的影響，造成航帶偏移，飛行軌跡會(huì)發(fā)生不可控的改變，存在著像幅小、數(shù)量多、基高比小、影像傾角過(guò)大等問(wèn)題，影像的傾角很大并且無(wú)規(guī)律。此外，由于無(wú)人機(jī)的傳感器采用的非量測(cè)CCD數(shù)碼相機(jī)會(huì)產(chǎn)生畸變差，其會(huì)給后面的空中三角形測(cè)量帶來(lái)誤差。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量誤差來(lái)源歸納起來(lái)有以下幾個(gè)因素：

相機(jī)畸變差：目前選用的傳感器是CCD非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，由于其感光單元的非正方形因子和非正交性以及畸變差的存在，加固改裝以后的相機(jī)獲取的航片存在著很大的畸變差，畸變差的存在使得后續(xù)步驟不能滿足精度要求[1]。

像控點(diǎn)布設(shè)方案：由于人的感官能力有限并且不同，技術(shù)水平參差不齊，對(duì)于測(cè)區(qū)的認(rèn)識(shí)程度不一樣并且存在的工作人員態(tài)度好壞的問(wèn)題，使得像控點(diǎn)的布設(shè)方案對(duì)于測(cè)區(qū)整體的控制會(huì)產(chǎn)生誤差。

刺點(diǎn)精度：由于固定翼無(wú)人機(jī)像幅小，所以其可以供選擇的像控點(diǎn)的點(diǎn)位位置范圍相對(duì)較小，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在航片中找不到明顯的好刺的地物，尤其是在荒野地區(qū)。像控點(diǎn)是否明顯、鋪設(shè)是否合理、影像反差是否理想以及刺點(diǎn)人員的認(rèn)知都是制約刺點(diǎn)精度的因素。

飛行姿態(tài)：由于氣候等外界因素具有不可控性和不確定性，天氣狀況會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和成像質(zhì)量造成影響，具體表現(xiàn)為飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的三個(gè)外方位角元素(航向傾角、旁向傾角、像片旋角)很大且沒(méi)有規(guī)律。

同名像點(diǎn)匹配精度：同名像點(diǎn)匹配也叫提取連接點(diǎn)，其基本原理是根據(jù)相鄰像對(duì)特征點(diǎn)及其周?chē)c(diǎn)的灰度值來(lái)提取連接點(diǎn)。連接點(diǎn)提取精度較低會(huì)影響相對(duì)定向元素以及外方位元素的計(jì)算；連接點(diǎn)提取精度太高會(huì)導(dǎo)致迭代次數(shù)增多，數(shù)據(jù)處理效率降低。

二、試驗(yàn)方案

由于已經(jīng)提出無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)精度影響因素，所以在本次試驗(yàn)中，共提出了五套試驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證所提出的這些因素。

A方案：在編輯相機(jī)文件輸入相機(jī)參數(shù)時(shí)，第一次以航片不存在畸變差為基礎(chǔ)輸入相機(jī)參數(shù)，即像主點(diǎn)坐標(biāo)平移(X，Y)，徑向畸變系數(shù)K1，K2，K3，偏心畸變差P1，P2均為0；第二次以航片存在畸變差為基礎(chǔ)輸入相機(jī)參數(shù)，即按照“易檢校“的檢校結(jié)果輸入相應(yīng)的像主點(diǎn)平移以及畸變系數(shù)。通過(guò)比較兩次不同相機(jī)參數(shù)所得到的正射影像圖的精度驗(yàn)證相機(jī)畸變差對(duì)正射影像圖精度的影響。

B方案：本次測(cè)試根據(jù)外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的稀疏設(shè)定了4個(gè)方案。方案一:4個(gè)控制點(diǎn)，測(cè)區(qū)四角各1個(gè);方案二:兩排控制點(diǎn)，上下各3個(gè)控制點(diǎn)，共6個(gè)控制點(diǎn);方案三:三排控制點(diǎn)，上下各3個(gè)控制點(diǎn)，中間兩個(gè)控制點(diǎn)，方案四：測(cè)區(qū)四個(gè)角各1個(gè)點(diǎn)，中間兩個(gè)點(diǎn)。評(píng)價(jià)一個(gè)測(cè)區(qū)平差結(jié)果主要看檢查點(diǎn)和加密點(diǎn)的精度。

C方案：分別選擇兩位熟悉、不熟悉刺點(diǎn)流程的外業(yè)人員進(jìn)行刺點(diǎn)，通過(guò)比較不同刺點(diǎn)精度下的平差報(bào)告結(jié)果驗(yàn)證刺點(diǎn)精度對(duì)正射影像圖精度的影響。

D方案：由于無(wú)人機(jī)的重量較小，容易受到氣流的影響導(dǎo)致飛機(jī)的飛行姿態(tài)變化很大且沒(méi)有規(guī)律，此次的試驗(yàn)方案是使飛機(jī)在不同的天氣的情況下進(jìn)行航飛。

E方案：采用不同的連接點(diǎn)提取精度，通過(guò)兩次的平差報(bào)告來(lái)驗(yàn)證連接點(diǎn)提取精度對(duì)正射影像圖的影響。

三、結(jié)果與分析

(一)相機(jī)畸變對(duì)成圖精度影響的分析。通過(guò)檢查點(diǎn)的比較，可知未經(jīng)過(guò)畸變差改正所成圖的精度很低，越靠近航片邊緣的地方存在的誤差越大，這樣的規(guī)律符合徑向畸變差的計(jì)算公式。因此每次航測(cè)之前進(jìn)行畸變差改正是必不可少的。

(二)像控點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)成圖精度影響的分析。成圖精度隨著像控點(diǎn)的增加會(huì)有一定程度的提高；通過(guò)比較方案二、四可知在像控點(diǎn)數(shù)量一致的情況下，像控點(diǎn)點(diǎn)位分布的合理性對(duì)成圖精度也有影響；通過(guò)比較方案三、四可知在滿足精度的前提下，應(yīng)盡可能地減少外業(yè)測(cè)量像控點(diǎn)。

(三)飛行姿態(tài)對(duì)成圖精度影響的分析。由于第一測(cè)區(qū)航測(cè)當(dāng)天風(fēng)速為5級(jí)，導(dǎo)致飛機(jī)pose數(shù)據(jù)中3個(gè)角元素變化很大；第二測(cè)區(qū)航測(cè)當(dāng)天為微風(fēng)，飛機(jī)pose數(shù)據(jù)中3個(gè)角元素相對(duì)穩(wěn)定，根據(jù)pose參數(shù)以及計(jì)算的方差可以得出第一測(cè)區(qū)飛機(jī)飛行姿態(tài)不如第二測(cè)區(qū)飛機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定，三個(gè)外方位角元素變化很大且沒(méi)有規(guī)律。

(四)同名像點(diǎn)匹配精度對(duì)成圖精度影響的分析。在同名像點(diǎn)匹配精度較低的前提下，檢查點(diǎn)的(X、Y、Z)偏差在1米以上，且其對(duì)于高程的誤差大于對(duì)于平面位置的誤差。造成這種現(xiàn)象的原因是由于同名像點(diǎn)匹配精度很低，導(dǎo)致很多同名像點(diǎn)沒(méi)有正確的匹配成功，導(dǎo)致在計(jì)算相對(duì)定向元素時(shí)相鄰照片的相對(duì)位置與實(shí)際存在偏差，影響了相對(duì)定向元素的計(jì)算，進(jìn)而影響絕對(duì)定向外方位元素的計(jì)算，最終影響成圖精度。

四、結(jié)論

(1)畸變差的存在使航片產(chǎn)生變形，尤其對(duì)于航片的邊緣點(diǎn)，其引起的誤差可以達(dá)到20-40個(gè)像素。因此，航飛前必須進(jìn)行相機(jī)檢校，只有經(jīng)過(guò)畸變差改正的航片才能用于空三解算。(2)低空攝影測(cè)量空三解算通常采用迭代平差，解算前需要輸入姿態(tài)參數(shù)初始值(通常都為0)，因此飛行時(shí)應(yīng)盡量保證無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性，減小各種姿態(tài)角值，保證成果質(zhì)量。(3)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較分析了不同像控點(diǎn)布設(shè)方案的成果質(zhì)量，結(jié)果表明：?jiǎn)我患艽蜗窨攸c(diǎn)數(shù)量應(yīng)大于6個(gè)，具體工程中，應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)大小科學(xué)合理地選擇像控點(diǎn)數(shù)量和位置。(4)像控點(diǎn)應(yīng)選擇特征明顯、地勢(shì)平坦的點(diǎn)，空三解算時(shí)需準(zhǔn)確刺點(diǎn)。