无人机航测数据质量检查浅析

容裕君

桂林市国土资源规划测绘院 广西 桂林 541002

摘要：目前，常规遥感影像的获取主要依赖航天遥感卫星获取，成本较高。与此同时，轻小型无人机在制造技术不断提升，成本不断下降，利用其搭载各类传感器进行对地观测，获取高分辨率、高时效性的遥感影像的无人机航测系统逐渐成为弥补航天遥感影像获取缺陷的主要技术手段。但航测数据的质量评定参差不齐，本次研究旨在研究以符合作业技术规范为前提的情况下，由于环境、机体性能等因素，会对影像数据造成一定程度的质量影响，本文从影像重叠度、影像倾角、像片旋角、航高保持等方面进行质量检查，并分析产生质量影响的原因，为今后的航测作业提供一定的启发。

关键字：无人机；航测作业；数据质量；影像；

0 引言

无人机（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是一种集动力装置、导航装置和无线电遥控传输装置于一体的无人驾驶飞机^[1]。近年来，各类传感器及集成芯片等电子设备不断小型化，高度集成化且生产成本不断降低，使得以无人机作为非量测型电子数码相机搭载平台的无人机航测技术得到飞速发展和普及，逐渐成为传统航空摄影测量的重要发展分支。相较于传统测绘手段，无人机航测技术依靠先进的传感器及运算效率更高的集成芯片使其在大规模采集空间地理信息数据方面具有较高的效率、更短的作业周期、采集的数据种类较为丰富，且数据生产成本低廉^[2]。

无人机航测系统是基于无人机航测技术上，获取带有矢量坐标信息影像数据的航测系统^[3]。利用相关数据处理软件对上述影像进行内业数据处理，最终获得业主方所需的地理信息产品，即所谓的4D产品（DOM、DEM、DRG、DLG）。这种作业模式一方面大幅降低了测绘工作者的外业劳动强度，另一方面在内业数据处理中实现高度自动化，有效提高了测绘工作的效率^[4]。但是一般的综合精度分析与评价，缺乏影像数据针对性评价，本文结合实验中航测数据，从影像重叠度、影像倾角、像片旋角、航高保持等方面进行质量检查，为今后生产正射影像图、大比例尺地形图及实景三维模型等产品提供技术支持。

1 航测数据概况

本次影像数据采用成都纵横CW-10C无人机航测系统获取。在布设野外像控点的情况下，利用PPK技术获取的飞机姿态信息解算出POS数据进行定向作业。航测作业前，利用无人机配套的CWCommander软件内置的相机参数对其携带的非量测数码相机进行匹配。无人机采用垂直起飞方式，起飞与降落场地均选在平坦的开阔地且平面距离相距不远，航测外业影像数据采集共分1个架次，作业日天气晴朗，微风2级，作业时间安排在当天的上午10点至下午2点。

根据任务要求，本次实验成图比例尺为1：1000由表1.1中成图比例尺、航摄比例尺与影像地面分辨率关系可知，影像地面分辨率要求小于5cm。在表1.2中对数码相机的检校结果可以看出，无人机携带的数码相机焦距为35mm，依据公式1.1计算出航线设计时的飞行高度在154m～166m之间。本次航测作业中航线设计的飞行参数如表1.2所示。

(GSD为地面分辨率，ρ为像元尺寸) 式1.1

表1.1 成图比例尺、航摄比例尺与地面分辨率关系

表1.2 无人机航摄技术参数

2航测作业技术要求

（1）影像获取平台包括有人机、无人机和地面采集，影像获取平台应能稳定获取影像^[5]。

（2）航摄应选择光照不弱的阴天进行，要求空气较为通透,能见度在2000米以上。

（3）在规定的航摄期限内，选择地表植被及其它覆盖物（如：洪水等）对成图影响较小、云雾少、无扬尘（沙）、大气透明度好的时间断进行航摄。

（4）根据地形条件的不同，严格按规范规定的太阳高度角要求选择摄影时间，航摄时间选择详见表2.1。

表2.1不同地形条件下的航摄时间选择

※困难情况下可适当放宽条件。

（5）为保证航片重叠度，要求空中飞行的风力小于4级（5.5米／秒），当测区的风向与设计的航线成垂直方向时，为减小飞行过程的漂移问题，应调整航线设计。

（6）若航线重叠度不足，为提升补摄单条航线稳定性及质量，补摄时则需将重叠度不足的航线上下各延长两条航线同时进行补摄，补摄应使用同一机型飞机搭载相同相机进行。

（7）航摄起降点尽量选择在测区范围内，提高作业效率。

（8）航线飞行一般沿东西方向平行于图廓线直线进行飞行拍摄，特定条件下亦可作南北向飞行或沿线路、河流、海岸、境界等方向飞行。

（9）为保证无人机与作业区域建筑的安全，无人机相对航高应保持与作业区域内建筑物间的安全距离，为了保证较高区域的拍摄分辨率、质量以及实际航摄过程中产生漏拍或航线重叠不足的现象，需要进行对应的补摄，补摄应使用同一机型飞机搭载相同相机进行。

（10）无人机航摄实施的其他要求按照《无人机航摄安全作业基本要求》执行^[6]。

3 无人机航测数据质量检查

无人机航测系统获取的影像数据需在现场检查影像的饱和度、清晰度、对比度、云雾遮挡等。除此之外，无人机航测数据质量检查的内容还应包括以下几项：

3.1影像重叠度

依据《低空数字航空摄影规范》对影像重叠度的要求，无人机在外业获取影像时的航向重叠度应在60%～80%之间，最低不少于53%，旁向重叠度应在15%～60%之间，最低不少于8%。本次实验为获取更高精度的影像，利用地面站软件将航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为75%。外业航飞结束后利用获取的POS文件解算出的数据对影像的重叠度进行计算，航向重叠度保持在79.87%～80.26%的区间之内，旁向重叠度在74.94%～75.43%的区间之内。造成上述重叠度浮动的主要原因是无人机机身在作业过程中受到高空大气扰动及飞机为应对大气扰动而进行的修正等因素的影响。重叠度计算结果如表3.1和表3.2所示。通过对解算出的影像重叠度进行分析并查阅上述规范指标，证明其符合规范要求。

表3.1 实验获取的航向重叠度

表3.2 实验获取的旁向重叠度

3.2影像倾角

影像倾角是指数码相机向地面摄影时，摄影物镜的主光轴偏离铅垂线的夹角。《低空数字航空摄影规范》中对影像倾角的要求是一般不大于5°且最大上限是12°，其中大于8°的航片数不得超过总数的10%。对于特别困难地区可以将要求上调3°，但大于10°的航片数不得超过总数的10%。影像倾角的检查主要是针对航向倾角和旁向倾角，利用解算出的数据对影像倾角进行质量检查，结果见图3.1。与规范要求进行对比分析，不难发现影像倾角满足规范要求，质量合格。

图3.1 像片倾角检查

3.3像片旋角

像片旋角是指在航空摄影过程中，相邻像片的像主点与像幅沿航线方向的两框标连线之间的夹角。像片旋角一般不大于15°，在确保像片航向和旁向重叠度满足要求的前提下，个别最大旋角不超过30°，在同一条航线上旋角超过20°像片数不应超过3片，超过15°旋角的像片数不得超过分取像片总数的10%且像片倾角和像片旋角不应同时达到最大值。利用解算出的数据对像片旋角进行质量检查，结果见图3.2，其中波动较大处为无人机空中转弯造成。根据《低空数字航空摄影规范》的相关规定，本次实验的像片旋角满足规范要求，质量合格。

图3.2 像片旋角检查

3.4 航高保持

《低空数字航空摄影规范》规定：同一航线上相邻航片的航高差不应超过30m，最大航高和最小航高之差不应超过50m，实际航高和设计航高之差不应超过50m。在无人机航测前，本文通过式1.1计算出的航高值介于154m～166m之间，获取影像时的设计航高为159m。通过机载POS数据反映的实际航高情况如图3.3所示。查阅《规范》并分析后，确认实际航高保持满足规范要求。

图3.3 航高示意图

航测作业结束后，将无人机GPS观测数据和在已知点所架设基准站采集的同步观测数据导入成都纵横CW-10C无人机配套基线解算软件JoPPS中，经过平差处理和数据精化，解算得到相机曝光点的高精度三维坐标信息。将POS数据、原始影像、测区范围线文件（格式为*.kml）进行质量检查无误，并且获取的原始影像清晰无变形拉花、无云层遮挡，色彩饱和度均匀，符合规范要求。同时重新计算原始影像的重叠度以及航高保持情况发现，航向重叠度在79.87%～80.26%的区间之内，旁向重叠度在74.94%～75.43%的区间之内，航高介于154m～166m之间，这种浮动由航测时的空中风力、实际测区地面地形不规则起伏等外界因素造成的，属于实际生产过程中常见现象。影像倾角和像片旋角也都符合《低空数字航空摄影规范》中的要求。

4 总结

本章结合具体的工程实例对无人机航测数据质量进行研究和分析。结合项目实验要求以及制定的作业技术依据，选择利用成都纵横CW-10C无人机航测系统进行外业数据采集。对采集的影像数据进行质量分析，通过从影像重叠度、影像倾角、像片旋角、航高保持等对比进行检查，说明验证了在满足航测作业技术要求的前提下，影像数据质量会存在一定范围的波动，但是该误差在规范允许的范围内。随着无人机航测系统在生产实践中的不断改进，这误差会越来越小，同时无人机航测在未来的城市发展与建设管理中将越来越重要。

参考文献：

1. 郑盼.基于 Smart3D 软件的无人机倾斜摄影三维建模及精度评价[D]. 成都:成都理工大学,2018.

2. 王虎. 无人机倾斜摄影大比例尺地形图测绘及质量评价[D]. 安徽:安徽理工大学,2020.

3. 孙 杰, 谢文寒, 白瑞杰. 无人机倾斜摄影技术研究与应用[J]. 测绘科学,2019,44(06):145-150.

4. Tadaomi, SAITO, Takayuki, etal. Aerial photogrammetry and three-dimensional modeling of the Tottori Sand Dunes using UAV[J]. Journal of Arid Land Studies, 2018, 28(S):89-92.

5. 张祖勋,张剑清.数字摄影测量学（第二版）[M]. 武汉:武汉大学出版社，2014.

6. CHZ3001-2010无人机航摄安全作业基本要求.