無人機(jī)高度與視口率定的快速量測(cè)

孫坤君，王 朝，陳勝軍，龍益輝，張青峰

(1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,530023,南寧；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

隨著民用無人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟和推廣使用，其在航拍攝影、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、測(cè)量測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-3]。利用無人機(jī)攝影測(cè)量，可以生產(chǎn)出滿足GB/T 15967—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化規(guī)范》的4D產(chǎn)品，極大地推動(dòng)了智慧城市的建設(shè)，也實(shí)現(xiàn)了5D產(chǎn)品的生產(chǎn)[4-5]。林成行等[6]利用無人機(jī)攝影測(cè)量生成數(shù)字正射影像，水平精度可達(dá)到0.2 m，結(jié)合非監(jiān)督分類和目視解譯對(duì)土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分類；王利民等[7]對(duì)無人機(jī)定位定向系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輔助下光束區(qū)域網(wǎng)平差方法平面定位以及面積測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明采用三階一般多項(xiàng)式模型進(jìn)行幾何精校正之后整體誤差都有提升，滿足航測(cè)規(guī)范；王志良等[8]對(duì)水土保持重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行了無人機(jī)航攝建模，能夠準(zhǔn)確并及時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)學(xué)者[9-10]在進(jìn)行無人機(jī)影像的量測(cè)中，通過設(shè)置無人機(jī)飛行參數(shù)進(jìn)行低空航拍，將航拍相片經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理生成數(shù)字正射影像(digital orthogonal map，DOM)，再利用GIS軟件進(jìn)行測(cè)算和制圖或采用測(cè)繪軟件量測(cè)興趣點(diǎn)的尺寸大小及面積。該技術(shù)也已廣泛用于工程現(xiàn)場(chǎng)踏勘及后期數(shù)據(jù)處理等。綜合來看，無人機(jī)視口面積與飛行高度以及鏡頭焦距等參數(shù)理論上及邏輯上是有強(qiáng)相關(guān)性的，以往在進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測(cè)量時(shí)，使用多張航拍照片生產(chǎn)單幅數(shù)字正射影像時(shí)，存在過程數(shù)據(jù)量較大、耗時(shí)較長(zhǎng)、成本較高等缺點(diǎn)。筆者以常見機(jī)型——大疆精靈4 Pro為例，通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)與回歸分析得出該機(jī)型飛行高度與視口大小的關(guān)系，提出一種對(duì)無人機(jī)飛行高度與視口大小的關(guān)系進(jìn)行率定的方法，為進(jìn)一步高效率低成本使用無人機(jī)在水土保持行業(yè)快速測(cè)量估算提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

選擇廣西某高速公路水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的一處表土堆放場(chǎng)為研究區(qū)。該表土堆放場(chǎng)位于廣西柳州市融安縣東起鄉(xiāng)沙洲尾村附近，地理坐標(biāo)E 24′56′49.69″、N 109′23′58.63″，海拔360.588 m。表土堆放場(chǎng)占地面積約1.0 hm2，平均堆高約3.5 m，堆存表土約3萬m3，施工過程中表土松散堆放，自然沉降，堆土邊坡穩(wěn)定，區(qū)域降雨量充沛，表土堆放場(chǎng)表面現(xiàn)已恢復(fù)植被。

精度驗(yàn)證區(qū)為表土堆放場(chǎng)同屬一個(gè)在建高速公路項(xiàng)目，興隆互通作為主體工程重要組成部分，建設(shè)地點(diǎn)位于廣西桂林市永?？h龍江鄉(xiāng)興隆村附近，相片拍攝時(shí)間為2020年9月15日14:00。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 Phantom 4 Pro無人機(jī)Fig.1 Phantom 4 Pro UAV

采用Phantom 4 Pro(大疆精靈 4 Pro)四旋翼無人機(jī)(圖1)，拍攝時(shí)間為2020年9月17日10：30，無人機(jī)飛行控制要求：為獲得較高質(zhì)量的航拍影像，無人機(jī)飛行速度控制不超過5 m/s，飛行高度<300 m，航向重疊度60%～80%，旁向重疊度15%～60%，ISO設(shè)置為800,無人機(jī)懸停穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行拍攝.試驗(yàn)共拍攝31張相片。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

以標(biāo)桿作為參照，將每張相片在CAD中調(diào)整為比例尺為1∶1 000的影像，獲取每張相片對(duì)應(yīng)的視口面積。同時(shí)，Pix4Dmapper生成數(shù)字正射影像主要分為建立工程文件并導(dǎo)入數(shù)據(jù)、加入控制點(diǎn)、全自動(dòng)處理等步驟。導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)圖像坐標(biāo)系統(tǒng)、地理位置和方向、相機(jī)型號(hào)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，加入控制點(diǎn)可有效提高平面坐標(biāo)控制質(zhì)量，但對(duì)于只關(guān)注長(zhǎng)度、面積等屬性時(shí)可省略該步驟，開始全自動(dòng)處理前可以對(duì)初始化處理中的單位像素大小、優(yōu)化參數(shù)方式、輸出數(shù)據(jù)種類，點(diǎn)云加密中的像素比例、點(diǎn)云過濾器、輸出文件類型，數(shù)字表面模型及數(shù)字正射影像生成中的是否合并瓦片數(shù)據(jù)、坐標(biāo)DSM(digital surface model)格式，數(shù)字正射影像圖輸出選項(xiàng)，三角模型選項(xiàng)，等高線選項(xiàng)等進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，一般選擇默認(rèn)就可以得到較為理想的處理效果，將31張相片導(dǎo)入Pix4Dmapper軟件中，自動(dòng)生成數(shù)字正射影像。

2.3 研究方法

以已知長(zhǎng)度的標(biāo)桿作為參照，推求航拍影像比例尺，獲得飛行高度和相片視口尺寸屬性的相關(guān)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)根據(jù)飛行高度快速推求單幅低空航拍影像的比例尺，從而快速量測(cè)興趣點(diǎn)長(zhǎng)度和面積，并與利用數(shù)字正射影像獲得的興趣點(diǎn)尺寸屬性進(jìn)行比對(duì)分析。最后在不同拍攝地點(diǎn)對(duì)利用飛行高度推求單幅低空航拍影像比例尺的方法的適用性和普適性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)果與分析

3.1 飛行高度與視口面積的關(guān)系

以飛機(jī)降落點(diǎn)拍攝相片的地面高程信息為參照，獲取每張相片對(duì)應(yīng)的飛行高度，結(jié)合視口面積，分析飛行高度與視口面積的數(shù)量關(guān)系及相關(guān)性見表1。

表1 計(jì)算后的相片參數(shù)值Tab.1 Calculated photo parameter values

通過回歸分析，飛行高度與面積具有強(qiáng)相關(guān)性(圖2)，回歸方程為：y=0.043 1x-2.191 6，R2=0.943。

圖2 飛行高度和視口面積關(guān)系Fig.2 Relationship between flying height and viewport area

3.2 飛行高度與視口長(zhǎng)度的關(guān)系

為方便后期參照視口屏幕長(zhǎng)度直接估算興趣點(diǎn)尺寸，將飛行高度與視口長(zhǎng)度進(jìn)行相關(guān)性分析，通過分析，飛行高度與視口長(zhǎng)度具有強(qiáng)相關(guān)性(圖3)，回歸方程為：y=1.455 1x+1.705 9，R2=0.999。

圖3 飛行高度和視口長(zhǎng)度關(guān)系Fig.3 Relationship between flying height and viewport length

另外通過觀察整理31張基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)飛行高度近似等于視口寬度，將飛行高度與視口寬度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)飛行高度與視口寬度具有強(qiáng)相關(guān)性(圖4)，回歸方程為：y=0.970 1x+1.137 2，R2=0.999，基本驗(yàn)證了無人機(jī)飛行高度近似等于視口寬度的規(guī)律。

圖4 飛行高度和視口寬關(guān)系Fig.4 Relationship between flying height and viewport width

為驗(yàn)證通過回歸方程及飛行高度推求視口長(zhǎng)度、視口面積，進(jìn)而推求單幅低空航拍影像的比例尺的準(zhǔn)確性及可行性，將利用回歸方程推求的比例尺計(jì)算的興趣點(diǎn)長(zhǎng)度與DOM上興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行比較分析。

3.3 精度檢驗(yàn)

3.3.1 表土堆土場(chǎng)精度驗(yàn)證 本次采用通常使用的飛行高度120 m拍攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。首先將本次31張基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)(258 MB)，利用Pix4Dmapper生成DOM影像如圖5所示(過程數(shù)據(jù)2.54 GB)，用于對(duì)比分析。

圖5 試驗(yàn)區(qū)數(shù)字正射影像Fig.5 DOM of the test area

根據(jù)回歸方程推求圖片的比例尺，進(jìn)而量測(cè)興趣點(diǎn)長(zhǎng)度，與數(shù)字正射影像圖中興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，共選擇3個(gè)興趣點(diǎn)，準(zhǔn)確率達(dá)到92.18%，分析結(jié)果見表2。

根據(jù)標(biāo)桿長(zhǎng)度推求的圖片比例尺，對(duì)興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行量測(cè)，并將其與數(shù)字正射影像圖中興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，共選擇3個(gè)興趣點(diǎn)，準(zhǔn)確率達(dá)到94.03%，分析結(jié)果見表3。

利用所發(fā)現(xiàn)的無人機(jī)飛行高度近似等于視口寬度的規(guī)律，推求圖片比例尺，對(duì)興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行量測(cè)，并將其與數(shù)字正射影像圖中興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，共選擇3個(gè)興趣點(diǎn)，準(zhǔn)確率達(dá)到93.97%，分析結(jié)果見表4。

3.3.2 興隆互通精度驗(yàn)證 為進(jìn)一步驗(yàn)證公式法及飛行高度等于視口寬度法推求單幅低空航拍影像的比例尺在不同拍攝地點(diǎn)的適用性和普適性，本次還將在廣西桂林市永?？h龍江鄉(xiāng)興隆村附近拍攝的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，首先將興隆互通的35張基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)(265 MB)，利用Pix4Dmapper生成DOM(圖6)(過程數(shù)據(jù)2.98 GB)，用于后期對(duì)比分析。

表2 公式法測(cè)算結(jié)果Tab.2 Calculated results via formula method

表3 標(biāo)桿法測(cè)算結(jié)果Tab.3 Calculated results via benchmarking method

表4 飛行高度=視口寬度的測(cè)算結(jié)果Tab.4 Calculated results of flying height = viewport width

圖6 驗(yàn)證區(qū)數(shù)字正射影像Fig.6 DOM(digital orthogonal map) of the verification area

分別用公式法及飛行高度等于視口寬度法推求單幅低空航拍影像的比例尺，對(duì)興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行量測(cè)，并將其與數(shù)字正射影像圖中興趣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，每種方法選擇3個(gè)興趣點(diǎn)，公式法準(zhǔn)確率達(dá)到92.87%，飛行高度等于視口寬度法準(zhǔn)確率達(dá)到95.12%，分析結(jié)果見表5和6。

通過進(jìn)一步分析Phantom 4 Pro無人機(jī)飛行高度與視口長(zhǎng)度及視口面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，整理出主要特征點(diǎn)(表7)。

4 討論

筆者提出一種基于無人機(jī)快速量測(cè)面積的方法，該方法具有高效可靠普適的特點(diǎn)；但是，該方法在獲取影像時(shí)分辨率精度受限，該問題主要是和攝像頭像素分辨率有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中若對(duì)影像分辨率精度有較高要求，可通過使用高分辨率攝像頭來滿足影像精度要求；另外，攝像頭像素與影像精度之間的關(guān)系有待于進(jìn)一步深入研究。

隨著行業(yè)無人機(jī)的普及，在飛行作業(yè)前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行實(shí)名登記并取得飛行執(zhí)照，安全飛行高度通常不能超過120 m，筆者采用的Phantom 4 Pro，理論上最大飛行高度為500 m，考慮到分辨率及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性等因素，利用本研究提供的方法進(jìn)行地物尺寸量測(cè)，適用的飛行高度為100～200 m。對(duì)于要求精度不是特別高的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，可通過拍攝起飛點(diǎn)相片記錄高程信息，求得飛行高度，進(jìn)而通過回歸方程推求單張相片的比例尺，也可以通過攜帶已知長(zhǎng)度的標(biāo)桿，推求單張相片的比例尺；但標(biāo)桿法受限于標(biāo)桿長(zhǎng)度，飛行高度較高時(shí)，標(biāo)桿尺度識(shí)別度不高，不過也可通過增加圖片系列進(jìn)行延展來解決該問題；亦可直接通過飛行高度近似等于視口寬度的規(guī)律推求單張相片的比例尺。視口主要是設(shè)備本身性能決定的，無人機(jī)攜帶相機(jī)的不同，飛行高度與視口長(zhǎng)度和面積會(huì)有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系，筆者只探討了Phantom 4 Pro 這款無人機(jī)的參數(shù)率定，對(duì)其他品牌型號(hào)無人機(jī)的高度和視口參數(shù)率定還未涉及。

表5 驗(yàn)證區(qū)公式法測(cè)算結(jié)果Tab.5 Calculated results of the verification area via formula method

表6 驗(yàn)證區(qū)飛行高度=視口寬度的測(cè)算結(jié)果Tab.6 Calculated results of flight height in verification area=viewport width

表7 飛行高度與視口長(zhǎng)度和面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.7 Correspondence between flight height and viewportlength and area

5 結(jié)論

1)通過研究無人機(jī)的飛行高度與視口面積、視口長(zhǎng)度、視口寬度之間的關(guān)系，對(duì)無人機(jī)相關(guān)參數(shù)率定也提供了一種可行的方法參照。

2)利用回歸方程公式、參照標(biāo)桿長(zhǎng)度以及飛行高度近似等于視口寬度的規(guī)律推求興趣點(diǎn)長(zhǎng)度信息，在一定試驗(yàn)條件下，均可以達(dá)到與生成數(shù)字正射影像獲取長(zhǎng)度信息基本一致的效果，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率均可達(dá)90%以上。

3)基于無人機(jī)的快速量測(cè)面積的方法高效可靠，在實(shí)際操作中可減少工作時(shí)間和數(shù)據(jù)冗余，提高工作效率，在水保監(jiān)測(cè)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。