無(wú)人機(jī)航測(cè)影像精度提升方法探索

鐘傳熙

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

現(xiàn)如今,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在建筑工程、農(nóng)田水利以及土地規(guī)劃測(cè)繪中都得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航測(cè)以其輕便、智能等優(yōu)勢(shì)在一些地形復(fù)雜且測(cè)繪難度大的區(qū)域中可以快速獲取到分辨率較高的影像,但在測(cè)繪地圖或者地上物影像時(shí),其精度往往受到多方面因素影響存在些許不足。下文將結(jié)合實(shí)際工程案例,對(duì)提升無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的方法展開(kāi)介紹,并從測(cè)量精度方面與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行比對(duì),進(jìn)而總結(jié)出無(wú)人機(jī)航測(cè)的精準(zhǔn)性和測(cè)繪產(chǎn)品的可靠性。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

無(wú)人機(jī)載體、影像獲取裝置、飛行控制系統(tǒng)、圖片傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)圖像接收裝置、數(shù)字影像測(cè)繪工作站以及地面控制裝置一同組成了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)[1]。在數(shù)據(jù)采集時(shí),影像曝光的一瞬間,飛行控制系統(tǒng)會(huì)即時(shí)采集主點(diǎn)的位置、姿態(tài)以及影像參數(shù)等信息,并將所采集到的信息進(jìn)行記錄,通過(guò)圖片及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)向地面接收裝置進(jìn)行傳輸。在完成飛行任務(wù)后,飛行控制系統(tǒng)會(huì)結(jié)合影像數(shù)據(jù)對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,若數(shù)據(jù)不符合要求,則需進(jìn)行補(bǔ)飛或者重飛。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)影像精度提升辦法

2.1 提升數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度

系統(tǒng)所拍攝的原始照片質(zhì)量是影響無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的因素之一。因此,為獲取高精度的影像資料,在航測(cè)影像信息數(shù)據(jù)采集時(shí),需調(diào)整校驗(yàn)好相機(jī)參數(shù)并選擇晴朗天氣進(jìn)行航飛[2]。

2.2 控制投影誤差

地圖是將地面景物進(jìn)行正射投影測(cè)繪而來(lái)。無(wú)人機(jī)航測(cè)是以地面景物的中心投影展開(kāi)構(gòu)像。如果地面和相片都能夠保證標(biāo)準(zhǔn)意義上的水平,那么上述兩種投影效果是相同的。但是由于地球表面起伏不平會(huì)導(dǎo)致像點(diǎn)發(fā)生位移,此外無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致航測(cè)影像發(fā)生傾斜。因此,在航測(cè)過(guò)程中盡量選擇晴朗且無(wú)風(fēng)的環(huán)境來(lái)飛行,控制飛行速度。對(duì)精度要求高時(shí),風(fēng)速應(yīng)低于8 m/s,保證飛行穩(wěn)定性,進(jìn)而保證航測(cè)影像的精度[3]。為了盡量避免投影參考面變化所產(chǎn)生的投影誤差,若高差大于四分之一相對(duì)航高,則應(yīng)分區(qū)設(shè)計(jì)航線。

2.3 優(yōu)化像控布設(shè)

空中三角測(cè)量是以像控點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn),借助于后方交會(huì)原理對(duì)相片的內(nèi)方位元素和外方位元素進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合內(nèi)方位元素、外方位元素以及像點(diǎn)坐標(biāo),利用前方交會(huì)原理計(jì)算地面坐標(biāo)。為了提升航測(cè)精度,在平坦區(qū)域應(yīng)當(dāng)均勻布設(shè)像控點(diǎn),對(duì)于高差較大地區(qū)應(yīng)當(dāng)提高像控點(diǎn)布設(shè)密度,使坐標(biāo)值和實(shí)際值更加接近,進(jìn)而提升像點(diǎn)地面坐標(biāo)精度。

2.4 相片重疊設(shè)置

為提高航測(cè)影像精度,技術(shù)人員應(yīng)盡量減少航測(cè)相片數(shù)量,提升航測(cè)效率。此時(shí),可適當(dāng)提升航飛高度,減少旁向重疊,以影像分辨率要求為標(biāo)準(zhǔn)確定航飛高度。為保證航測(cè)精度質(zhì)量,飛行前應(yīng)做好檢查,飛行后還應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)覆蓋檢查。為了提升影像匹配效率,在數(shù)據(jù)處理前先將質(zhì)量差的相片剔除掉。將目標(biāo)清晰的相片作為空三刺點(diǎn),盡量避開(kāi)單幅影像的邊緣,保證所選航片質(zhì)量,提高相片匹配正確率[4]。

2.5 提升相機(jī)參數(shù)與POS數(shù)據(jù)權(quán)重

傳統(tǒng)的影像測(cè)量解析空中三角測(cè)量時(shí),主要以像控為依據(jù),進(jìn)而計(jì)算出像主點(diǎn)的內(nèi)方位元素和外方位元素。隨著相機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,在相機(jī)出廠時(shí)期畸變參數(shù)就已經(jīng)確定,由此可見(jiàn),像主點(diǎn)的內(nèi)方位元素和外方位元素均可以為固定值。以大疆M600搭載賽爾5鏡頭為例,外方元素可借助于M600無(wú)人機(jī)飛控平臺(tái)的POS數(shù)據(jù)或外搭的中海達(dá)飛控平臺(tái)的POS數(shù)據(jù)來(lái)生成EO文件。作為航測(cè)過(guò)程中像主點(diǎn)空間位置的固定解文件,EO文件具備實(shí)時(shí)性,在提升坐標(biāo)解算精度的同時(shí),能夠提高空中三角測(cè)量計(jì)算效率[5]。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 低空測(cè)量作業(yè)

為避免在航測(cè)過(guò)程中周邊環(huán)境因素對(duì)航測(cè)精度產(chǎn)生影響,在測(cè)繪時(shí)首先應(yīng)保證設(shè)備性能,避免在測(cè)繪復(fù)雜地形遇到環(huán)境差、云層低等問(wèn)題時(shí),不會(huì)因設(shè)備因素影響測(cè)繪質(zhì)量。例如:借助于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以有效解決低空測(cè)量難的問(wèn)題。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的安全性較強(qiáng),能夠避免外界環(huán)境干擾,在航測(cè)過(guò)程中,通過(guò)操作人員的控制和定位追蹤,能夠?qū)?dòng)態(tài)信息展現(xiàn)出來(lái),保證基礎(chǔ)測(cè)繪工作的有序開(kāi)展[6]。在無(wú)人機(jī)航測(cè)時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際測(cè)繪情況,確保航向重疊度和旁向重疊度設(shè)置合理性,將航高和地面分辨率控制在合理范圍內(nèi),從而不斷優(yōu)化影像質(zhì)量,縮短航測(cè)時(shí)間,提升航測(cè)效率。同時(shí),在開(kāi)展復(fù)雜地形的航測(cè)時(shí),還應(yīng)結(jié)合實(shí)際地形情況,合理設(shè)置像控點(diǎn),強(qiáng)化軟件設(shè)置,開(kāi)展快捷且高效的測(cè)量作業(yè)。

3.2 土地測(cè)量

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)還可以應(yīng)用在土地測(cè)量以及土地資源管理中,全面了解土地資源現(xiàn)狀。在一些地形復(fù)雜且險(xiǎn)峻的區(qū)域,通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù),很難實(shí)現(xiàn)全面測(cè)繪且測(cè)繪質(zhì)量差。而應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)后,借助于高質(zhì)量的測(cè)繪影像,能夠?qū)崿F(xiàn)土地資源合理開(kāi)發(fā)利用。在農(nóng)村土地確權(quán)時(shí),利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確采集每家每戶的土地面積,對(duì)田間道路、溝渠等進(jìn)行測(cè)繪,保證測(cè)量分辨率和精準(zhǔn)度,為土地權(quán)屬劃分奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7]。另外,相關(guān)部門(mén)還應(yīng)當(dāng)重視數(shù)據(jù)信息的運(yùn)用,精確地繪制出地塊圖板,降低土地資源測(cè)量誤差,提升測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度。在土地確權(quán)工作結(jié)束之后,根據(jù)確權(quán)結(jié)果完善土地資源數(shù)據(jù)庫(kù),為土地承包、經(jīng)營(yíng)以及確權(quán)工作提供數(shù)據(jù)信息支持。

3.3 農(nóng)田節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用

3.3.1 工程概況

在某市農(nóng)田節(jié)水灌溉工程施工前,需要了解施工范圍內(nèi)的地形圖,以此為依據(jù)開(kāi)展施工設(shè)計(jì)。由此,借助于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)該節(jié)水灌溉工程繪制出1∶1 000比例尺的地形圖。由于該水利工程項(xiàng)目區(qū)塊較多,且分布并不集中,面積大小不標(biāo)準(zhǔn),航測(cè)區(qū)域?yàn)檗r(nóng)田,存在飛地,因此測(cè)繪難度較大。所以,為了保證測(cè)繪影像精度,在地形起伏變化較大的位置增設(shè)了高程加密點(diǎn),在內(nèi)業(yè)處理時(shí),可將影像旋片角度過(guò)大的照片刪除。

3.3.2 傳統(tǒng)測(cè)繪與無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪和無(wú)人機(jī)航測(cè)在投入人力、測(cè)量面積、內(nèi)業(yè)耗時(shí)、外業(yè)耗時(shí)等方面進(jìn)行對(duì)比可以看出。相比之下,應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)外業(yè)工作效率得以翻倍提升,傳統(tǒng)測(cè)繪成果為地形圖,而無(wú)人機(jī)航測(cè)的作品不僅包括地形圖還包括DOM和DEM,二者可以反映出測(cè)繪區(qū)域的地形地貌,使工作人員能夠更加全面、真實(shí)地了解測(cè)繪區(qū)域?qū)嶋H情況,為農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)提供立體式數(shù)據(jù)參考[8]。

3.3.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)精度分析

在無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)束后,結(jié)合《測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》,利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)所生成的地形圖精度展開(kāi)檢驗(yàn)。由于航測(cè)區(qū)域地勢(shì)平坦,根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,平面加密點(diǎn)誤差應(yīng)在圖上0.4 mm以內(nèi),高程誤差按照等高距的1/3計(jì)算,為0.17 m,限差為加密點(diǎn)兩倍中誤差。根據(jù)設(shè)計(jì)檢測(cè)結(jié)果可知,針對(duì)A區(qū)域中118個(gè)平面點(diǎn)中有6個(gè)超限,22個(gè)高程中有1個(gè)超限;B區(qū)域72個(gè)平面點(diǎn)中有1個(gè)超限,68個(gè)高程中有2個(gè)超限,超限點(diǎn)數(shù)量在總檢查點(diǎn)的比例均在5%的允許誤差范圍內(nèi)。在將粗差剔除后,A區(qū)域的平面中誤差為±15 cm,高程中誤差為±8 cm;B區(qū)域平面中誤差為±12 cm,高程中誤差為±8 cm,從誤差角度分析均低于所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

3.3.4 可靠性分析

在農(nóng)田灌溉工程中,運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù),可以借助影像裁切和鑲嵌對(duì)DOM進(jìn)行分塊處理,并將分塊處理后的DOM和DEM數(shù)據(jù)展開(kāi)柵格數(shù)據(jù)的矢量化處理。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比,通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)所生成的作品精度完全符合1∶1 000比例尺地形圖測(cè)繪要求,其測(cè)繪結(jié)構(gòu)中的地形地貌與實(shí)地情況一致。與傳統(tǒng)測(cè)繪方式相比,其所獲取的細(xì)節(jié)點(diǎn)更多,在測(cè)繪效率上有著很大提升,同時(shí)還獲取了航測(cè)區(qū)域的DOM與DEM,因此對(duì)于農(nóng)田水利工程后期的規(guī)劃設(shè)計(jì)有著重要參考價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,借助于無(wú)人機(jī)的靈活性、高效性、精準(zhǔn)性等優(yōu)勢(shì),將無(wú)人機(jī)與測(cè)量測(cè)繪相結(jié)合,所形成的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)逐漸成為大比例航測(cè)所應(yīng)用的主要技術(shù)。與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的高成本、低效率、對(duì)作業(yè)人員要求高等特點(diǎn)相比,無(wú)人機(jī)航測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化成圖、全方面采集,既能夠保證測(cè)繪質(zhì)量又能夠提升效率,優(yōu)勢(shì)明顯。此外,還應(yīng)加大提升無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的研究力度,使其向著更加智能化方向發(fā)展。