影響無人機(jī)傾斜攝影測量精度的因素研究

張 軍，申 靜，吳永春，楊軍義

（1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025；2.甘肅省測繪工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741025；3.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，甘肅 天水 741025）

自然資源部《2020 年自然資源部網(wǎng)絡(luò)安全與信息化工作要點》明確提出，將推進(jìn)自然資源三維立體“一張圖”，完善自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)。三維實景數(shù)據(jù)正在成為基礎(chǔ)地理信息的主要組成部分，這是無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)發(fā)展的重要體現(xiàn)，也是該技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇。本文在生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上研究分析影響無人機(jī)傾斜攝影測量成果精度的主要因素，為相關(guān)生產(chǎn)實踐提供參考。

1 影響無人機(jī)傾斜攝影測量精度的因素分析

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)包含內(nèi)外業(yè)兩個部分，外業(yè)航空攝影、影像控制測量，內(nèi)業(yè)結(jié)算都會對成果精度產(chǎn)生影響，本文主要從無人機(jī)攝影測量相關(guān)硬件條件的角度進(jìn)行分析，闡述影響無人機(jī)傾斜攝影測量精度的因素。

1.1 影響無人機(jī)傾斜攝影的因素分析

無人機(jī)傾斜攝影實施過程中的硬件設(shè)備包含無人機(jī)及數(shù)碼相機(jī)。無人機(jī)是載體，從攝影測量的角度出發(fā)衡量無人機(jī)性能的指標(biāo)可歸納為三點：一是無人機(jī)航飛的穩(wěn)定性，高穩(wěn)定性決定了高質(zhì)量的影像姿態(tài)；二是看無人機(jī)是否帶有高精度POS 采集模塊，高精度POS 數(shù)據(jù)會提高影像數(shù)據(jù)匹配速度及匹配的可靠性，提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算的通過率及效率；三是無人機(jī)的續(xù)航時間，高續(xù)航時間可以大大提高外業(yè)工作效率。數(shù)碼相機(jī)是影像采集設(shè)備，目前應(yīng)用于攝影測量的相機(jī)多為非量測數(shù)碼相機(jī)，將非量測數(shù)碼相機(jī)改裝應(yīng)用于攝影測量從成本上降低了對于航空攝影的要求，但是非量測數(shù)碼相機(jī)的各項性能指標(biāo)不能很好的滿足傾斜攝影測量的對相機(jī)的質(zhì)量要求，影像質(zhì)量不好導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理的難度增加，也會降低測繪成果的精度。

普通數(shù)碼相機(jī)存在的主要問題：①普通數(shù)碼相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)普遍存在像差，導(dǎo)致影像模糊、像場彎曲，且畸變參數(shù)未知，利用自檢校模型進(jìn)行畸變糾正的糾正誤差較大；②由于鏡片材料對成像的影響，非量測相機(jī)可能出現(xiàn)“彩虹邊緣”（由于相機(jī)鏡片是曲面，光線經(jīng)過鏡頭，由于不同波長電磁波的折射率不一致，導(dǎo)致影像邊緣產(chǎn)生“色差”），以上兩種因素會影響內(nèi)業(yè)空三特征點匹配精度，也是出現(xiàn)空三分層的潛在因素；③目前所用普通數(shù)碼相機(jī)雖然像素有所提高，達(dá)到了航測規(guī)范的要求，但是像素并不能等于高質(zhì)量的地面清晰度，數(shù)碼相機(jī)像元尺寸也是決定成像質(zhì)量的決定性因素，像元尺寸大，感光度好且噪點的影響小，在光照條件不理想的情況下，同樣可以獲得高質(zhì)量影像；④專業(yè)全畫幅相機(jī)的高動態(tài)范圍能夠確保高的畫面純凈度及曝光質(zhì)量，而非量測數(shù)碼相機(jī)就很難到達(dá)這樣的航攝效果，導(dǎo)致外業(yè)航攝質(zhì)量受天氣影響較大，制約了無人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢；⑤普通數(shù)碼相機(jī)針對人的感知設(shè)計，只要色彩接近人眼能夠識別的范圍就足夠了，但是航攝影像要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，在保證畫面質(zhì)量的條件下提供更多的色彩分辨信息有助于高精度的數(shù)據(jù)匹配解算，從而提高解算精度。

1.2 影像控制測量對于精度的影響

影像控制測量是攝影測量的重要環(huán)節(jié)，針對不同的航攝設(shè)備、航攝區(qū)域、航攝精度要求，可采用不同的像控點布設(shè)方案及控制點測量方法，這方面的技術(shù)在理論及實踐層面都是比較成熟的，本文不再重點累述。

1.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中影響因素分析

目前用于無人機(jī)傾斜攝影內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算建模的軟件較多，如smart3D、photoscan、大疆智圖、ContextCapture Master、重建大師等，通過大量實踐分析發(fā)現(xiàn)，各類軟件由于核心算法不同，導(dǎo)致其在數(shù)據(jù)解算速度、操作難易程度、解算成功率等方面的性能差距是很大的，本文不做具體評價。在數(shù)據(jù)處理過程中，相同的軟件處理同一數(shù)據(jù)，采用不同的處理步驟，也會影響解算的精度及效率，為了保障數(shù)據(jù)解算的成功率，建議不要將大量數(shù)據(jù)同時處理，分塊解算、合并建模是理想的技術(shù)流程。

2 提高無人機(jī)傾斜攝影測量精度的方法實踐

2.1 選擇高穩(wěn)定性且?guī)Ц呔萈OS 系統(tǒng)的無人機(jī)系統(tǒng)

從目前的行業(yè)發(fā)展態(tài)勢來看，由于電動無人機(jī)在飛行安全、飛行穩(wěn)定性方面有明顯優(yōu)勢，所以搭載傾斜相機(jī)的無人機(jī)主要采用電動固定翼及旋翼機(jī)。由于旋翼機(jī)飛行速度較慢，像移影響較小，所以厘米級高精度影像獲取主要采用旋翼機(jī)。在大范圍傾斜數(shù)據(jù)獲取過程中，使用電動固定翼無人機(jī)，可發(fā)揮其續(xù)航時間長的優(yōu)勢，提高作業(yè)效率。

利用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行大范圍傾斜攝影測量，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，會經(jīng)常出現(xiàn)斷層、層面彎曲的現(xiàn)象，通過大量實踐研究證明，利用裝有高精度POS 系統(tǒng)的無人機(jī)獲取影像，結(jié)合高精度POS 進(jìn)行空三解算，空三通過率明顯提高，所以高精度POS 采集系統(tǒng)也是衡量無人機(jī)性能的主要指標(biāo)。

2.2 選擇無人機(jī)航攝專業(yè)數(shù)碼相機(jī)

文中（1.1 影響無人機(jī)傾斜攝影的因素分析）分析了目前各類數(shù)碼相機(jī)用于傾斜攝影測量存在的問題，基于這些特點，選擇無人機(jī)傾斜攝影測量用相機(jī)需要重點考慮以下幾方面內(nèi)容：①選擇具有ED（超低色散能力）非球面鏡片的相機(jī)，傳統(tǒng)球面鏡片由于像差的存在，導(dǎo)致攝影光線不能很好地匯聚，影像模糊度較大，且影像畸變較大，如圖1 所示非球面鏡片與球面鏡片畸變差對比，如圖2 所示為非球面鏡片與球面鏡片成像模糊度對比。ED 鏡片可以很好的解決傳統(tǒng)鏡片（色差）造成匹配不準(zhǔn)確的問題，如圖3 所示普通鏡片與ED 鏡片成像二次像差對比；②在條件許可范圍內(nèi)，選擇大像元尺寸的全畫幅相機(jī)，本文以APS-C 傳感器與全畫幅傳感器做對比如圖4 所示，大傳感器能提供更廣的拍攝范圍，在減少影像數(shù)的同時，由于像元尺寸增加，可以使影像質(zhì)量更優(yōu)，表現(xiàn)為感光度高、噪點少、光照動態(tài)范圍變大、位元深度高，高的影像范圍及質(zhì)量使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算的通過率及精度大大提高。

圖1 球面鏡片與非球面鏡片畸變對比

圖2 球面鏡片與非球面鏡片成像模糊度對比

圖3 普通鏡片與ED 鏡片成像二次像差對比

圖4 全畫幅與半畫幅CMOS 對比（示例2.3 倍）

3 總結(jié)

無人機(jī)傾斜攝影測量是目前高精度三維建模、數(shù)字化測圖的最主要方法，在實際作業(yè)過程中，無人機(jī)性能、數(shù)碼相機(jī)性能、控制測量方案、內(nèi)業(yè)解算軟件及數(shù)據(jù)解算流程都會對測繪成果精度產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)解算方面對傾斜攝影測量的影響主要受制于軟件、作業(yè)員經(jīng)驗及對專業(yè)知識的理解，硬件技術(shù)發(fā)展才是影響傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，在進(jìn)行傾斜攝影測量項目實施前需要根據(jù)項目精度要求，選擇帶高精度POS 系統(tǒng)的固定翼或旋翼無人機(jī)，配合目前比較專業(yè)的無人機(jī)傾斜航攝相機(jī)，可以極大的提高項目實施的效率。