影响无人机航摄的高程精度分析

路思岐 丰立柱

摘  要：目前无人机技术在测绘行业中应用愈加广泛，更多从业人员将无人机应用在与高程测量有关的场景，但影响航摄高程精度的因素较多，怎样采取一定举措以提高航摄高程精度已成为业内人员更加关心的问题。在进行精度探究时多从DLG成图角度来分析，未就高程精度影响因素进行探讨，文章基于理论分析与实验验证，结合航摄技术作业流程探讨了在航摄作业时高程精度的影响因素，提出了合适的航测设计方法，可为今后航测工作提供一定参考。

关键词：无人机；高程；影响因素；基高比

中图分类号：P231    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0118-03

Abstract： At present， UAV technology is more and more widely used in the surveying and mapping industry， and more practitioners will apply UAV in scenarios related to elevation measurement， but there are many factors affecting the elevation accuracy of aerial photography， and how to take certain measures to improve the elevation accuracy of aerial photography has become a more concerned issue in the industry. In the precision exploration， most of the analysis is from the perspective of DLG diagram， and the factors affecting the elevation precision are not discussed. Based on theoretical analysis and experimental verification， combined with aerial photography technical operation process， this paper discusses the influencing factors of elevation accuracy in aerial photography operations， and proposes appropriate aerial survey design methods， which can provide certain reference for future aerial survey work.

Keywords： UAV; elevation; influencing factor; base-height ratio

0  引  言

近几年航摄技术不断发展成熟，航摄作业流程日臻完善，基于无人机的低空影像获取已成为航空摄影测量的主要手段，相比以前传统测绘方法，使用无人机进行航测工作更加方便快捷，精度较高，具有较好的发展趋势。

但目前我国在无人机航摄领域仍存在诸多不足，具体如下：

1）测绘部门暂未提出关于无人机航摄的国家规范，因此目前各作业部门多凭借自身经验实施作业，作业方法各不相同，精度的一致性无法得到保证；

2）航摄路线设计时，重叠度的选择存在两难。重叠度过低会影响作业精度，但增加重叠度会较大的增加作业时间，导致作业效率降低。

3）在进行航线设计时，重在平面精度的衡量，针对高程精度的专项设计较少。

鉴于上述原因，有必要在作业前对无人机精度的影响因素进行分析，并采取必要措施以提升作业精度。本文就针对精度问题，基于理论分析与实验验证，结合航摄技术作业流程探讨无人机在航摄作业时高程精度的影响因素，并利用无人机航摄数据，逐一对不同的重叠度和基高比等因素下所测量的高程精度进行比对，并对上述影响因素进行了分析总结，提出合理的航测规划方案建议。

1  无人机航摄技术作业流程

1.1  技术准备

在无人机进行航测作业之前，应提前设计好航线、飞行架次，设计合理的测量方案并拟写航测技术设计书，描绘航测技术设计图（应包括航测作业范围、地势以及已知地面控制情况）[1]。为检核测绘精度，需设置一定数量的像控点和检核点，点位须清晰且无遮挡，使用RTK固定解方式对其进行点采集。使用GNSS固定解方式对其进行点采集，采集數据如表1所示。

1.2  飞行实施

按照拟定的航测技术设计书，等待合适的天气，选择测区中较为空旷的地点作为起降点，检查仪器设备情况良好后，对测区进行影像采集。为保证飞行安全，飞机起飞后要实时持续观察飞机的动向，关注飞机的飞行高度、速度、姿态以及电池电量和航线的完成状况等。飞行任务完成后，对航摄影像数据进行质量检查，并将其导出，若有不合格的区域，应及时进行补飞，使影像数据的精度质量满足相关规定和要求。

1.3  数据处理

借助Context Capture软件对无人机航摄数据进行后续处理。新建项目后，导入影像数据和像控点，进行空三解算[2]。解算完成后对比选刺像控点，保证每个像控点最少有6～9个相对应的匹配点。刺点完成后再次提交空三解算。采用规则平面格网切块方法生产三维模型。

1.4  精度评定

将正射影像导入Cass 3D中，捕捉检核点的同名点的量测坐标值，与检核点坐标进行精度比对，使用中误差计算公式（1）计算中误差，其精度应符合规范要求。

2  基高比对航测高程精度的影响

基高比是影响航摄像片精度质量的主要原因。摄影基线长度（B）与航高（H）的比值就是基高比（G），表示的是两个相邻摄站相对于地面点的交会角[3]。摄影基线是相邻两像片摄影中心的连线；航高是选取摄区的平均高程面作为航摄基准面，摄影机的物镜中心到航摄基准面的距离。像片重叠度越大，同一航线或相邻航线相邻两张像片间的匹配点越多，匹配精度就越高[4]。当航高确定后，在航向上相邻影像的重叠度决定了摄影基线长度，即航向重叠度越大，摄影基线越短，基高比变小；反之基高比愈大[5]。

立体像对中两张像片空间前方交会的几何关系如（图1）所示，B表示摄影基线長度，H代表航高，f为摄影焦距，b为像片基线，θ是两个相邻摄站到地面点的交会角，mxy代表像片的测量误差，mXY是空间点平面坐标测量误差，mz表示空间点的高程误差。

由式（6）可以看出，相机的地面分辨率（GSD）、像点坐标测量精度、基高比三个因素都会对点位高程精度产生影响。当航测相机和航测比例尺确定后，地面分辨率（GSD）与测量误差mxy不变，高程精度mz与基高比G成正比，与航高H成反比[6]，即B/H愈大，则高程精度mz愈高。

以测区为例，采用Phantom4 RTK无人机，分别设置70 m和100 m两种飞行高度，两高度下再设置不同的重叠度，分别采集同一测区的遥感影像，共计飞行4架次。根据现场具体状况，设置相机焦距为8.8 mm，分别设置航向重叠度80%、旁向重叠度70%和航向重叠度70%、旁向重叠度50%两种重叠度。

为保证影像精度，应进行精度评定，使用同名点量测坐标对比检核点坐标，通过式（1）计算出平面及高程中误差。基高比可通过式（7）计算得出，式中最大像素5 472像素×3 648像素，相机CCD尺寸PX×PY：13.2 mm×8.8 mm，焦距8.8 mm。对比不同航高下不同重叠度的航测精度，及不同基高比对航测精度的影响，如表2、表3、表4、表5所示。

通过四架次的航摄数据可以看出，基高比对航测精度有一定的影响，随着基高比的增加，平面及高程精度都会有所提高。因此，为提高高程精度就需要增大基高比，而增大基高比要通过减小重叠度或降低航高来实现。重叠度升高或飞行高度降低时会大幅增加航测像片数量以致内业工作量过重，但当重叠度过低时，地物点只能在少部分影像中重复出现，会减少相邻像片之间连接点的个数，就会降低像片匹配精度和相对定向精度，导致匹配点平差结构弱化，且随着影像分辨率的降低，在刺点操作时也会引入一定的误差，因此选用适当的基高比，即合理的进行航线规划便成为提高航测精度的关键。为了平衡内业工作量与高程精度，应设计合理的航测方案，结合本次试验，推荐选取飞行高度100 m，航向重叠度70%，旁向重叠度50%，在确保精度的前提下有效地提高了工作效率。

3  结  论

根据上述试验，我们结合航摄流程分析了像片重叠度、基高比对航测高程精度所造成的影响。试验结果表明基高比越大时，空间点的高程精度就越好，使航测成果精度均能满足设计要求。通过适当降低航向重叠度以增大基高比等方法来平衡航测精度与工作效率之间的关系，在航测时显得尤为重要。

参考文献：

[1] 王佩军，徐亚明.摄影测量学：第1版 [M].武汉：武汉大学出版社，2005.

[2] 周玉秀，申忠昌，王永菊.无人机低空摄影测量数据处理及应用探讨 [J].青海大学学报，2021，39（3）：88-92.

[3] 温成龙，张兆江，商洋洋.提高无人机高程精度的影像获取方法 [J].地理空间信息，2017，15（6）：38-40+4.

[4] 张效锋.影响无人机航测高程精度因素的研究 [J].现代测绘，2021，44（3）：31-33.

[5] 柏飞.影响无人机航测高程精度分析 [J].测绘技术装备，2014，16（3）：92-93+56.

[6] 段兴全，胡贤.浅析无人机航测高程精度影响因素 [J].建筑工程技术与设计，2018（12）：5324.

作者简介：路思岐（2000—），男，汉族，天津人，本科在读，研究方向：测绘工程；丰立柱（1985—），男，汉族，山东曲阜人，教师，硕士研究生，研究方向：摄影测量。