羅 勇

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212)

無人機(jī)攝影測量像片傾角對成圖精度的影響分析

羅 勇

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212)

目前無人機(jī)進(jìn)行測圖已逐漸在工程中得到應(yīng)用，對于無人機(jī)測繪中的精度一直是測繪領(lǐng)域討論的重要議題，從無人機(jī)拍攝過程中像片傾角產(chǎn)出的原理出發(fā)，分析傾角與測量地物精度的關(guān)系，并通過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上提出避免傾角過大的處理方法。

像片傾角；平面精度；高程精度；成圖精度

無人機(jī)攝影測量是以無人飛機(jī)為空中平臺(tái),通過搭載CCD數(shù)碼相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、紅外掃描儀，激光掃描儀、磁測儀等遙感設(shè)備獲取地面信息，并使用計(jì)算機(jī)對所獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得成果表達(dá)的一門信息科學(xué)。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和國家對低空領(lǐng)域的開放，利用無人機(jī)進(jìn)行攝影測量迅速成為地面數(shù)據(jù)獲取的重要方式。但無人機(jī)在拍攝過程中容易受風(fēng)力等外界環(huán)境的影響，使得相機(jī)在曝光時(shí)的照片不水平，這種因相片不水平產(chǎn)生的傾角對測量精度具有較大的影響，從而導(dǎo)致像片上的地物和地貌精度難于滿足測量精度的要求。如何減小像片傾角對測量精度的影響，是無人機(jī)攝影測量重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一，根據(jù)傾角產(chǎn)生的原理來分析傾角對圖形精度的影響，并采用適當(dāng)?shù)姆椒▉砑右愿倪M(jìn)，對提高攝影測量精度具有積極意義。

1 像片傾角的產(chǎn)生

像片傾角指的是航空攝影機(jī)在曝光瞬間主光軸與鉛垂線的夾角，如圖1所示。它是由于拍攝時(shí)飛機(jī)狀態(tài)不水平引起的。在無人機(jī)三維空間坐標(biāo)系中，它表示無人機(jī)飛行狀態(tài)相對于飛機(jī)水平靜止時(shí)的角度變化關(guān)系。飛機(jī)的飛行狀態(tài)可用3個(gè)參數(shù)進(jìn)行表示，分別是飛機(jī)繞X軸旋轉(zhuǎn)的翻滾角(ω)，飛機(jī)繞Y軸旋轉(zhuǎn)的俯仰角(α)，飛機(jī)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的航偏角(φ)如圖2所示。從傾角的定義可以看出，像片傾角與飛機(jī)飛行中的仰俯角(α)和航偏角(φ)有關(guān)。下面分析傾斜像片與水平像片的關(guān)系。

圖1

圖2

2 傾斜像片與水平像片的關(guān)系

為分析傾斜像片與水平像片的關(guān)系，假設(shè)有一水平地面，在同一攝影中心S對地面點(diǎn)A進(jìn)行攝影，一張水平像片p0，一張傾斜像片p，如圖3所示。為討論兩張像片之間的關(guān)系，建立以c點(diǎn)為像坐標(biāo)原點(diǎn)，以兩像片等比線hchc為x軸，主縱軸線oo為y軸的像平面坐標(biāo)系，地面上的A點(diǎn)在p0水平像片上成像為a0，坐標(biāo)表示為(x0,y0)，在傾斜像片上成像為a，坐標(biāo)表示為(xc,yc)，f為相機(jī)焦距，α為像片傾角，兩者的關(guān)系可表示為：

(1)

因此可以通過兩者的關(guān)系式來分析同一地面點(diǎn)A，在水平相片上和傾斜相片上的坐標(biāo)關(guān)系，從而得出相片傾斜對成圖精度的影響。

圖3 傾斜像片與水平像片的關(guān)系

3 像片傾角對成圖精度的影響

無人機(jī)航攝測量中，通常通過立體像對圖形進(jìn)行分析和處理，并將獲得的數(shù)據(jù)用三維坐標(biāo)(x,y,h)來表示，因此，要分析傾角對成圖精度的影響，需從像片傾角對平面位置和高程位置兩方面的影響來進(jìn)行討論。

3.1 像片傾角對水平位置的影響

(2)

當(dāng)俯仰角α不變時(shí)，從(2)式可以得出水平位移與航偏角φ的關(guān)系為：

(1)當(dāng)φ=0°和180°時(shí)，δa=0，即像片水平時(shí)，像點(diǎn)無位移；

(4)當(dāng)φ=90°和270°時(shí)，sinφ=±1，即δa最大。

由以上結(jié)果可以得出，當(dāng)像片不不水平時(shí)，像點(diǎn)產(chǎn)生位移。其大小與相機(jī)焦距成反比，與α和φ的正弦之積成正比。

3.2 像片傾角對高程位置的影響

通過圖3中的單張像片分析了傾角對水平位移的影響，為了分析傾角對高程的影響，必須引入標(biāo)準(zhǔn)像對，攝影測量中將攝影基線水平的兩張水平像片組成的立體像對稱為標(biāo)準(zhǔn)式像對。如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)立體像對關(guān)系圖

(3)

δh=a1x+a2y+a3xy+a4x2[5]

(4)

由公式(4)可以得出，像片傾角引起的高程誤差為雙曲線拋物面。公式中a`,a2,a3,a3是與像片外方位元素有關(guān)的常數(shù)。

4 像片傾角對成圖精度影響實(shí)例分析

2016年8月，為獲得永州市某農(nóng)場地形圖，采用HDSY-G03無人機(jī)，搭載索尼A5100相機(jī)對該區(qū)域進(jìn)行了航攝，并生成了1:1000數(shù)字線化圖，從第3條航帶的76張像片中選取10張典型像片為研究對象，根據(jù)POS記錄的像片傾斜角，并從圖中對無遮蓋的地物特征點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行了量測后，與野外RTK實(shí)測坐標(biāo)值進(jìn)行對比，對比結(jié)果見傾角對位移影響關(guān)系表，見表1。

表1 傾角對位移影響關(guān)系表

注：表1中δh為像點(diǎn)高程位移理論計(jì)算值，δa為像點(diǎn)平面位移理論計(jì)算值。

從表1可以看出：

(1)無人機(jī)飛行時(shí)同時(shí)產(chǎn)生航向傾斜(α)和旁向傾斜(φ)，傾斜位移受兩個(gè)方向的共同影響，平面位移理論計(jì)算值δa與ΔL，高程理論差值計(jì)算值δh與Δh較小，利用公式計(jì)算傾角影響與實(shí)測相符。

(2)當(dāng)航向傾角φ=1.8220060時(shí)平面精度影響0.386m，高程精度影響-0.433m，符合《GB/T14912-2005 1∶500 1∶1000 1∶2000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的要求，點(diǎn)位平面中誤差不應(yīng)超過±0.3(±0.5)m，高程誤差不超±1/3(±1/2)h(h為基本等高距)的規(guī)定值。因此無人機(jī)在航拍飛行過程中，像片傾角應(yīng)滿足《GB/T7931-2008 1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》中的要求，即無人機(jī)飛行過程中將像片傾角≤2°。大于規(guī)定傾角值的相片需要進(jìn)行航片傾角的校正。

5 避免像片傾角過大的處理方法

為了保證成圖精度，在航拍外業(yè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，我們可以采用以下方法進(jìn)行控制：

(1)選擇天氣較好，空氣中氣流等因素的影響較小的天氣進(jìn)行飛行，使外業(yè)飛行的像片傾角φ≤2°，以滿足規(guī)范要求。

(2)提高飛機(jī)的性能，增強(qiáng)飛機(jī)抗外界干擾的能力，提高飛行期間飛機(jī)的穩(wěn)定性，如采用較大型飛機(jī)和多旋翼飛機(jī)，避免飛行過程中傾角過大。

(3)使用高精度云平臺(tái)，提升POS定位精度，用于像片內(nèi)業(yè)傾角糾正；定期對云平臺(tái)進(jìn)行檢修，避免因檢修不及時(shí)造成的儀器誤差。

(4)內(nèi)業(yè)選用高精度的控制點(diǎn)進(jìn)行像片校正，通過空中三角測量的精度來減小傾角對成圖精度造成的影響。

[1] 史俊莉.無人機(jī)航測地形圖的高程精度影響因素分析[J].新技術(shù)新工藝，2014(9).

[2] 連振華.無人機(jī)航攝像片對立體高程扭曲的影響分析[J].地理空間信息，2010(8).

[3] 盧曉攀.無人機(jī)低空攝影測量成圖精度實(shí)證研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

Analysis of Influences of Tilt Angle of UAV Photogrammetry on Mapping Accuracy

LUO Yong

(Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212, China)

With frequent application of UAV surveying and mapping in engineering, its surveying accuracy has become an important topic in the field. Starting from the causes of tilt angle of UAV photogrammetry, the correlativity between tilt angle and surveying accuracy of ground objects has been analyzed and verified by examples to put forward methods to avoid excessive tilt angle.

tilt angle of photograph; plane accuracy; height determination accuracy; mapping accuracy

2016-12-20

羅 勇(1982-)，男，江西九江人，講師，碩士，主要從事工程測量技術(shù)專業(yè)的教學(xué)和教研工作。

P231

A

1673-0496(2017)02-0030-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.010