轻小型无人机在测绘行业的测量精度分析

袁旭 张增印 刘大海

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016）

1 引言

随着无人机技术飞速发展，轻小型无人机在远程遥控、续航时间、飞行品质上有了明显突破，在各行各业得到了长足发展，在测绘行业成为新兴的遥感手段。

轻小型无人机与有人机相比，具有机动灵活、高效快捷、精细准确、安全可靠、省钱节约等优点，主要表现在：具有极高的机动性，在速度、范围等方面，是有人飞行器无法比拟的；具有极强的环境适应性，无需专用起降场，对气象条件要求低，优越的低空性能让云下作业变得轻而易举，大大提高了工作效率；具有极好的经济性，价格低廉，不需载人升空。精度一直是测绘产品的关键，本文对无人机航拍测图精度展开分析，对实际作业中的控制方法进行了论述。

图1 无人机遥感系统组成

2 轻小型无人机遥感系统介绍

2.1 系统组成

受载重影响，无人机难以有效搭载常规航摄仪完成航空摄影，因此，无人机低空遥感系统以无人机飞行平台和机载数码相机、数码摄录机等数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术分析处理影像，以实现对地面信息的实时调查与监测。一个完整的无人机遥感系统包括空中飞行与数据获取模块、地面监控模块。其中，空中飞行与数据获取模块主要包括无人机飞行系统、遥感器系统、姿态控制系统及数据传输系统，其主要功能是控制无人机遥感系统按照既定航线平稳飞行，并将飞行状态与数据传输地面；地面监控模块是发送飞行状态调整和数据获取命令，接收数据并实时监控，主要包括数据的接收与状态监控、地面控制命令模块[1]。无人机遥感系统的组成如图1所示。

现有的无人机遥感平台主要包括无人固定翼飞机平台、无人直升机平台、无人飞艇平台等。本文采用的是丹麦SKY-WATCH公司生产的“积云一号”航拍专用无人机。该无人机外形尺寸为：165cm×110cm×35cm；驱动方式为：锂电池，16.8V 8600mAh；载体模式：固定翼 ；飞行时间：带PPK模块情况下，可以飞行90分钟 ；测量精度范围：5cm精度下，单架次可飞行5平方公里，时速可达50 km/h，飞行高度最高可达 2000m，可抗6级风力，起飞重量为2kg。采用手抛起飞，自主减速降落。

2.2 传感器特性

此次作业采用的遥感传感器是日本SONY公司生产的DSC-RX100M3专业相机。该相机是高质量可见光与近红外相机，具有操作稳定、坚固耐用、高精度和大容量性能等特点，可适用于恶劣环境。多光谱相机的主要技术指标为：2010万像素1英寸ExmorR背照式CMOS传感器（5472×3648像素）；BIONZ X影像处理器；卡尔蔡司超广角镜头；全新的等效24-70mm f/1.8-2.8镜头；内置EVF取景器；可提供64GB的机上存储设备。

3 轻小型无人机航空摄影

3.1 外业航拍

随着控制技术的发展，轻小型无人机的飞行品质已经有了较大提升。但与传统航空摄影获取的影像相比，轻小型无人机在影像重叠度、影像旋偏角、航线弯曲度等方面还有一定差距。

（1）与传统航摄相比，轻小型无人机航摄面积小，在航线设计时可不考虑地球曲率变化，一般情况下计算基准面高程可简化为在摄区最大、最小高程值平均值的基础上适当修改，在无摄区DEM或地形图条件下仍能快速设计航线。

（2）传统航空摄影在航向和旁向重叠度上有严格的技术要求，而轻小型无人机主要保证有效航向和旁向重叠，即在保证满足摄区内最低点分辨率和最高点重叠度符合数据处理要求的前提下，尽量规范重叠度指标。因此，在像片重叠度的技术指标上有所放宽，航向重叠度一般为60%～80%，最小不小于53%，旁向重叠度一般为15%～60%，最小不小于8%。

（3）在航摄过程中，部分无人机使用了旋偏改正装置，但限于飞行平台变化频度高、频率快，难以全程快速实现旋偏改正，故实际作业过程中经常出现旋偏角大于15°的情况，航摄规范改变了数字航空摄影旋偏角的检查方法，将旋偏角检查改为旋角和倾角的分别检查[2]。

（4）轻小型无人机实现了GPS辅助航空摄影，飞行平台硬件上集成双频GPS，在飞行时精确记录曝光时刻的位置信息，通过事后差分解算，得出每个曝光时刻摄影中心X、Y、Z 方向的坐标，航摄流程上通过飞行构架航线，减少摄影测量成图所需的外业像控点。

3.2 像控测量

轻小型无人机像控测量与传统航空摄影像控测量最大的不同之处在于，像控点的布设方案存在差异。2010年，国家测绘地理信息局颁布的《低空数字航空摄影测量外业规范》，明确了像片控制点航向基线数跨度和旁向相邻平面控制点的航线跨度。

GPS辅助航空摄影空三加密解算时，4个控制点精度趋于稳定，完全满足1∶5000比例尺地形图丘陵地精度等级；加飞构架航线的GPS辅助航空摄影只需2个以上控制点，基本能满足 1∶2000比例尺地形图丘陵地精度等级。在平原地区，均匀增加布设像控点能提高航测精度。

4 项目区实验

实验于2017年在偃师市城南伊洛河项目进行。项目区多为平原地带，地理坐标为34.39°N、112.42°E。项目区面积约为2000m×1500m。按照1∶1000比例尺地形图精度要求施测。

4.1 航线规划

用南方公司的银河6型GPS采集测区范围点坐标，得到项目区顶点的经纬度坐标，采用积云一号小型无人机作业，飞行设定高度约为260m，航向重叠度和旁向重叠度均为70%，进行垂直拍摄，地面分辨率为6cm。

以无人机作业前的起始点为原点、东西方向为X轴、南北方向为Y轴，建立直角坐标系，将顶点的经纬度转化成米制，作业区域面积S为4平方公里。首先指定航向角α分别为0、45°、90°、135°，通过算法模拟分别获得相应的规划航线。根据公式（1）可得4种作业情况下的多余覆盖率，其中，ε为无人机作业多余覆盖率，S为作业区域面积[3]。

4种作业情况下，α ＝0时对应的飞行总距离、覆盖面积和多余覆盖率均较小，即能量消耗较小。航向角α从0到180°，以每次递增5°的方式，继续航线规划仿真，以得到飞行总距离和多余覆盖率最低时所对应的作业航向角。模拟结果表明，当作业航向角α ＝100°（根据测区形状的变化而变化），并获取相应的作业规划航线时，理论总飞行距离和覆盖面积达到了能耗的最优化，因此，以最优方案规划本次航线。航线规划图如图2所示。

图2 航线规划图

4.2 像控点测量

本次采用的积云一号无人机加载了GPS-PPK模块，即动态后处理技术，是利用载波相位进行事后差分的GPS定位技术，其工作原理为：利用同步观测的1台基准站接收机和至少1台流动站接收机对卫星的载波相位观测量，然后利用GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置，然后进行坐标转换得到流动站的三维坐标。

为了提高航拍模型精度，本次在测区内按照1000米间距网格布设像控点，共布设6个像控点、3个平高点，并用GPS实测了4个检查点及30个地形点三维坐标，为复核三维成果模型精度做准备。

4.3 航拍模型精度分析

4.3.1 无人机航摄误差

固定翼无人机航空测量系统，在进行地形测量时存在测量误差。这些误差主要为仪器误差、人为误差，以及气候等外界因素影响产生的误差。

（1）仪器误差：是指仪器设计、制作不完善或经校验还存在残余误差。这部分误差主要是传感器量化过程带来的系统误差。

航测内业测量高程中误差会随着像片倾角的增大而增大；当像片倾角小于3°时，高程精度能够充分满足规范要求的精度。

因受到无人机载重及体积影响，难以有效搭载常规航摄仪完成航空摄影；而感光单元中出现非正方形因子与非正交性畸变差，会造成测量高程精度难以满足需求。

（2）人为误差：是指由于人的感官鉴别能力、技术水平和工作态度，以及像控识别、空三加密、立体采集而产生的人为误差。

（3）外界因素影响产生的误差：天气状况对飞行器姿态和成像质量的影响而产生的误差。

以像素为单位，标称分辨率为0.06m，一个像素相当于地面6cm×6cm的范围。由于仪器误差引起的畸变差、天气外界因素影响等，实际分辨率已接近0.08m，也就是说，在进行航测作业前，航片的精度大约为8cm。

4.3.2 改进方法

（1）改进无人机性能

要提升无人机系统自身性能，加强对外界干扰因素的抵抗力，减小像片倾角，有效提升飞行阶段的飞行安全性与稳定性，定期对无人机系统和航摄系统进行检修与维护，以减少仪器误差。此外，在安装航摄系统时，必须严格依据有关技术指导完成，让相机CCD阵面短边和航行方向垂直，在一定程度上有效提升高程精度。

（2）高程二次定向方法

实践过程中，运用空三得到外方位元素，有效恢复立体模型。在进行像片倾角相对较大的立体模型绝对定向时，虽然绝对定向误差残差比较小，但全野外测量高程点难以精确恢复至被量测地物表面。经过分析与研究，这主要是因为像片倾角超限，运用PATB光束法平差反算后，此类型像片外方位元素中三个角元素不准确引起的。

针对像片倾角的超限立体像，可以运用空中三角测量实现加密平差，反算出野外高程控制点的相应平面坐标；在数字摄影测量工作中恢复立体模型；要删除加密时的模型连接点，保留野外所有像片控制点的测量；立体状态下，需要重新观测野外的所有控制点高程；重新进行绝对定向，计算出倾角超限像片中的6个外方位元素；立体采集核线。上述方法被称为高程二次定向，也就是重新创建立体模型，完成信息数据的采集，同时把此超限立体模型的相应高程误差有效控制在1/3等高距之内，从而有效提升高程测量精度[4]。

（3）加强人员培训

日常工作中，要加强培训，提高航测内外业人员的业务技术水平及质量责任心。外业作业时，尽量选择晴朗无风的天气，保证无人机飞行的姿态稳定。

4.3.3 航测模型精度分析

像控点刺点精度统计如表1所示。实测点与航拍模型点数据误差检测表如表2所示，中误差计算：n=10个，[VV]=0.398m，M=±√[VV]/n=0.06m，满足大比例尺地形图测量规范精度要求。

表1 像控点刺点精度统计

5 主要技术问题

采用轻小型无人机遥感系统获取遥感图像主要存在以下问题：

（1）轻小型无人机体积较小，飞行作业时受风力影响较大，难以承受过大的载荷，且续航时间不长。（2）受载荷能力和成本等因素的限制，目前轻小型无人机大多安装低精度的导航系统和平衡控制系统，使飞行姿态难以精确。（3）不精确的航向重叠率和航线弯曲度设置，导致轻小型无人机出现严重的重拍、漏拍现象。（4）获取的数据量大、图像无规律、像幅小，增加了图像校正、匹配、拼接等处理难度。（5）无人机和遥感设备产生的误差、人为误差及遥感数据本身带来的误差较大。

表2 实测点与航拍模型点数据误差检测表

6 结语

轻小型无人机航测流程的步骤多，内定向是一个重要过程，大比例尺DLG高程的精度控制是一个难点。但从航摄工作实践来看，只要控制好航摄及航测内外业过程，就可以让航测平面及高程精度达到规范要求。大比例尺测图，对高程精度要求较高，在航摄设计中不能只简单考虑符合规范的像片比例尺、GSD，还要综合考虑相机的像素、像幅大小及重叠度等因素，要尽量选择宽像幅视场角比较大、像素小的航摄相机，并通过网络RTK提高航测外业效率与航摄精度。