古學(xué)玲

摘要：無人機(jī)遙感是近些年快速發(fā)展起來的新興技術(shù)，低空遙感為測繪工作帶來了更快速靈活、簡單便捷的體驗(yàn)。相對于專業(yè)級無人機(jī)而言，消費(fèi)級無人機(jī)（UAV）具有快速便捷、機(jī)動靈活、易上手、性價比高等優(yōu)勢，是獲取小區(qū)域4D數(shù)字產(chǎn)品的低成本生產(chǎn)方式。然而目前針對該類無人機(jī)影像處理及精度分析的研究較少，導(dǎo)致其進(jìn)一步推廣受到一定影響。本文選用大疆精靈4PRO（Phantom-4-PRO）消費(fèi)級無人機(jī)在航高200-300m所拍攝影像，對其處理精度進(jìn)行分析，選擇Pix4D作為快拼處理軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理、參數(shù)設(shè)定、空中三角測量、數(shù)據(jù)生成等多個步驟，制作出數(shù)字正射影像圖。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)級無人機(jī)（UAV）;快拼處理;空中三角測量;精度分析;厘米級

1 引言

無人機(jī)（UAV）遙感是近幾年新興發(fā)展起來的低空測量技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域已從軍事擴(kuò)展到商用、民用市場（李德仁和李明，2014），用途也從最初的遙感測繪發(fā)展至如今的監(jiān)測巡檢等。與傳統(tǒng)衛(wèi)星及航空遙感相比，無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)具有靈活便捷、上手快、成本低及分辨率高等優(yōu)勢（Watts等，2012;陳仲新等，2016）。無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，也讓無人機(jī)成為一個研究熱門課題。

2 研究區(qū)概況

本文選取四川省沐川縣三溪村為測區(qū)，三溪村是四川省環(huán)境優(yōu)美示范村莊，其經(jīng)度為103°53′24″E，緯度為28°56′24″N。該村地處丘陵地貌，地勢較低，但起伏較大，植被覆蓋率約75%-80%，測區(qū)范圍1.3km*1.3km，面積為1.69km²，因飛行區(qū)域視野開闊，衛(wèi)星信號較好，有利于進(jìn)行消費(fèi)級無人機(jī)的飛行實(shí)驗(yàn)。

3 數(shù)據(jù)處理

本文選擇采用Pix4D快拼軟件處理，該軟件自動化流程程度較高，一鍵式作業(yè)完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、參數(shù)設(shè)定、連接點(diǎn)自動匹配、自動空中三角測量、數(shù)據(jù)生成等多個步驟，處理后可在質(zhì)量報告中查看平均精度和絕對精度。為了對該精度的可靠性進(jìn)行分析，還將添加6個檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)實(shí)際精度計(jì)算來進(jìn)行對比分析。

數(shù)據(jù)處理主要流程如下：

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文使用的原始數(shù)據(jù)包括無人機(jī)飛行的垂直投影圖像、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)以及GPS-RTK所測控制點(diǎn)、檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中的199張垂直投影照片來源于大疆精靈4PRO（Phantom-4-PRO）消費(fèi)級無人機(jī)，飛行航高約200-300m，該無人機(jī)具有輕便靈活、成本低，上手快等優(yōu)勢，搭載DJI FC6310型號相機(jī)，圖像尺寸為4864（寬度）*3648（高度），焦距為9mm，視場角84°，最大水平飛行速度為72km/h，使用快拼軟件處理時，無需制作POS文件，POS點(diǎn)相關(guān)信息可隨圖像直接導(dǎo)入計(jì)算空三。

地面控制點(diǎn)（GCP）和檢驗(yàn)點(diǎn)是此次驗(yàn)證無人機(jī)獲取地形信息精度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為獲得該數(shù)據(jù)，使用精度可達(dá)毫米級的GPS-RTK系統(tǒng)測得，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)如下表1、表2。

使用Pix4D mapper 4.2.25導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行連接點(diǎn)自動匹配、自動空中三角測量、添加控制點(diǎn)區(qū)域平差、影像拼接等處理后，得到數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）成果，如下圖3、圖4所示。

4 結(jié)果分析

4.1 理論精度分析

空三加密采用光束法局部平差法，在數(shù)據(jù)處理后會自動生成質(zhì)量報告，報告包括無人機(jī)影像分辨率、圖像質(zhì)量檢查結(jié)果、像點(diǎn)的坐標(biāo)、各個控制點(diǎn)誤差和水平方向平均誤差、垂直方向平均誤差、水平方向均方根誤差（RMSE）、垂直方向均方根誤差等，如下表3。

由該質(zhì)量報告可以得出，各控制點(diǎn)水平方向（X、Y）誤差最大為36.3cm，最小為0.6cm;水平方向X平均誤差為-1.69cm，Y平均誤差為1.87cm，垂直方向Z平均誤差為-7.12cm;均方根誤差水平方向X為-17.65cm， Y為10.86cm，垂直方向Z為28.69cm?？梢钥闯?，在水平方向的誤差值相對于垂直方向誤差較小，說明使用無人機(jī)影像制作DOM成果比DEM成果質(zhì)量精度高。

4.2 實(shí)測精度分析

4.2.1 影像對比

J1、J2、J3、J4、J5、J6為RTK測得6個檢驗(yàn)點(diǎn)，通過ARCGIS將6個檢驗(yàn)點(diǎn)與DOM成果套合，結(jié)果如下圖所示（紅色圓點(diǎn)為檢驗(yàn)點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)位置）。可以看出，DOM成果與實(shí)際位置（交叉折點(diǎn)）幾乎吻合。

4.2.2 精度測評

區(qū)域網(wǎng)通過添加控制點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算后，對于成果的精度誤差，通常可通過未參與平差計(jì)算的外業(yè)測量檢驗(yàn)點(diǎn)對誤差的期望和均方差進(jìn)行估算。期望（μ_x）和均方差（δ_x）計(jì)算公式如下：

首先在DOM成果圖上找到六個檢驗(yàn)點(diǎn)實(shí)際位置，計(jì)算出該位置坐標(biāo)并與RTK外業(yè)測量檢驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比，計(jì)算出誤差值，再根據(jù)上式分別計(jì)算出期望值與均方差值。如下表所示可以看出，水平方向X誤差的期望值和均方差分別為5.87cm、4.11cm;水平方向Y分別為7.85cm、4.20cm。因此，實(shí)際精度測試結(jié)果與理論精度結(jié)果一致，均達(dá)到厘米級。

4.3 效率與經(jīng)濟(jì)效益分析

質(zhì)量、效率、經(jīng)濟(jì)效益是評判一件產(chǎn)品的基本因素。消費(fèi)級無人機(jī)數(shù)據(jù)的質(zhì)量精度可達(dá)厘米級，可達(dá)到絕大多數(shù)行業(yè)的應(yīng)用。此次消費(fèi)級無人機(jī)影像數(shù)據(jù)快拼精度分析測試，測區(qū)范圍1.3km*1.3km，面積約為1.69km²。在航飛階段，從布置測區(qū)到開始飛行到最終返航只需1臺消費(fèi)級無人機(jī)花費(fèi)1-2個小時;后期數(shù)據(jù)處理階段，亦可借助快拼軟件簡單快速處理得到DOM成果。消費(fèi)級無人機(jī)體型較小，飛行操作十分靈活，且成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型專業(yè)級無人機(jī)，因此對于小區(qū)域的測繪，消費(fèi)級無人機(jī)具有高質(zhì)量、高效率、高效益、低成本的優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于野外測繪工作。

5 結(jié)論

綜上所述，消費(fèi)級無人機(jī)影像數(shù)據(jù)精度可達(dá)厘米級，完全滿足野外地理和生態(tài)調(diào)查工作者等的作業(yè)需求，為這些野外工作者提供了一種低成本、便于攜帶、快速靈活與精確獲取地形信息的新型量測手段，其在小區(qū)域的測繪應(yīng)用將會越來越廣。

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