常 誠，李月寧

（水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021）

1 水土保持無人機(jī)應(yīng)用概述

無人機(jī)遙測(cè)是松遼流域應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)充實(shí)水土保持工作成果的專有名詞，是指利用無人機(jī)設(shè)備在允許空域內(nèi)完成對(duì)地物的低角度連續(xù)性數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)拼接軟件生成帶有地理信息屬性成果數(shù)據(jù)的過程。將無人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到水土保持工作領(lǐng)域，對(duì)松遼流域水土保持監(jiān)督性監(jiān)測(cè)、水土流失趨勢(shì)預(yù)測(cè)、小范圍高精度測(cè)繪及遙測(cè)影像圖斑精細(xì)化均起到技術(shù)示范及推廣作用。

2 精度報(bào)告編制目的

由于行業(yè)應(yīng)用的無人機(jī)遙測(cè)設(shè)備采用的傳感器屬于普通攝影器材，較之衛(wèi)星遙感測(cè)繪的傳惑器，存在更大的光學(xué)系統(tǒng)畸變誤差。另外，后期像控點(diǎn)的標(biāo)定及成果數(shù)據(jù)量測(cè)的誤差，形成了影響無人機(jī)遙測(cè)成果數(shù)據(jù)與實(shí)際地物大小之間存在差異的主要因素。因此，為保證無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)用性和準(zhǔn)確率，采用針對(duì)水土保持關(guān)注的線狀、面狀及三維指標(biāo)，提取無人機(jī)遙測(cè)成果數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)集合的方法，總結(jié)無人機(jī)遙測(cè)成果誤差范圍，為成果數(shù)據(jù)可靠性提供理論依據(jù)。

3 無人機(jī)遙測(cè)誤差來源

3.1 儀器誤差

無人機(jī)通常搭載采用傳統(tǒng)CCD或COMS感光元件的民用攝影設(shè)備或定制攝影器材，并非正方形及正交型感光單元，感光單元光學(xué)系統(tǒng)自身存在徑向畸變差和切向畸變差，此類光學(xué)畸變的存在使測(cè)量成果量化過程存在一定誤差，見圖1。

圖1 鏡頭畸變帶來的儀器誤差

3.2 特征點(diǎn)匹配不足

無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的航向及旁向影像拼接過程中，特征點(diǎn)匹配不足對(duì)成果數(shù)據(jù)的生產(chǎn)帶來一定誤差，可供匹配的特征點(diǎn)的多少會(huì)隨著地表信息不同而發(fā)生變化，當(dāng)拍攝影像為明顯地物刺點(diǎn)，如建筑、樹木等棱角分明、影像反差較大的影像時(shí)，可提取足夠的特征點(diǎn)，當(dāng)拍攝影像存在大面積水面、積雪等紋理重復(fù)率高或影像拍攝存在質(zhì)量問題時(shí)，將無法提取足夠的特征點(diǎn)，從而造成影像拼接錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤差。

3.3 外界因素

由于天氣狀況影響飛行器姿態(tài)和成像質(zhì)量所產(chǎn)生的誤差，以及云層厚度對(duì)GPS定位產(chǎn)生的定位誤差。

3.4 內(nèi)業(yè)誤差

成果輸出過程中，由于成果數(shù)據(jù)人工解譯鑒別能力、解譯標(biāo)準(zhǔn)不固定等因素帶來的內(nèi)業(yè)誤差。

4 遙測(cè)數(shù)據(jù)精度檢測(cè)

4.1 檢測(cè)指標(biāo)

松遼流域水土保持無人機(jī)遙測(cè)成果數(shù)據(jù)后期量測(cè)，可分為線狀、面狀和三維數(shù)據(jù)的信息提取，三類數(shù)據(jù)涵蓋水土保持領(lǐng)域關(guān)注的全部指標(biāo)數(shù)據(jù)（詳見表1）。為保證本精度檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)詳實(shí)，以傳統(tǒng)實(shí)地測(cè)量為基礎(chǔ)，對(duì)比多旋翼和固定翼兩種不同類型無人機(jī)設(shè)備，獲取相同指標(biāo)下的無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)表格中所有指標(biāo)進(jìn)行精度檢測(cè)，并匯總大數(shù)據(jù)分析無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)精度范圍。

表1 無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)精度檢測(cè)指標(biāo)范圍

4.2 精度檢測(cè)方法

運(yùn)用多旋翼和固定翼兩種類型無人機(jī)，分別對(duì)線狀、面狀及三維指標(biāo)進(jìn)行遙測(cè)，無人機(jī)設(shè)備參數(shù)設(shè)置，如相機(jī)分辨率、鏡頭焦距、飛行高度、航向及旁向重疊率及遙測(cè)時(shí)段一致。三種檢測(cè)要素分別選取5個(gè)不同規(guī)模的檢測(cè)指標(biāo)，分別完成10次無人機(jī)遙測(cè)工作，并采用Pix4Dmapper專業(yè)無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件完成成果輸出，10次量測(cè)取均值記錄，最終，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量生成對(duì)照數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)照數(shù)據(jù)的誤差量變化情況，說明無人機(jī)遙測(cè)成果誤差范圍。

4.3 指標(biāo)對(duì)照

線狀指標(biāo)分別獲取了某項(xiàng)目棄渣場(chǎng)擋墻長(zhǎng)度信息、高度信息、臨時(shí)道路長(zhǎng)度信息、寬度信息及農(nóng)發(fā)項(xiàng)目地埂植物帶長(zhǎng)度信息，共計(jì)5組線狀指標(biāo)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，見表2。

面狀指標(biāo)分別獲取了某生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目拌合站面積信息、梁場(chǎng)面積信息、侵蝕溝治理工程治理面積信息、農(nóng)發(fā)項(xiàng)目水平梯田面積信息及封禁治理面積信息，共計(jì)5組面狀指標(biāo)面積數(shù)據(jù)，見表3（多旋翼無人機(jī)無法完成超過0.5 km2以上面積的無人機(jī)遙測(cè)工作）。

表2 線狀信息誤差率m

表3 面狀信息誤差率km2

三維指標(biāo)分別獲取了某生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)棄渣場(chǎng)（均為平地棄渣）棄方量信息及4號(hào)、5號(hào)取土場(chǎng)（均為坡面取土場(chǎng)）取土方量信息，共計(jì)5組三維指標(biāo)體積數(shù)據(jù)，見表4。

表4 三維信息誤差率 萬m2

4.4 對(duì)照結(jié)果分析

通過無人機(jī)遙測(cè)和實(shí)地量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照，得出以下分析結(jié)果：

1）通過對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)的量測(cè)，多旋翼及固定翼無人機(jī)輸出數(shù)據(jù)均小于實(shí)際發(fā)生的量。

產(chǎn)生這一誤差的原因主要是由于采用的低空攝影設(shè)備鏡頭的焦距為廣角，自身的徑向畸變差和切向畸變差為負(fù)值，為保證影像能夠重疊拼接，在鑲嵌融合過程中畸變矯正不足導(dǎo)致的誤差。

2）固定翼無人機(jī)輸出成果相比多旋翼無人機(jī)輸出成果更加接近實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。

由于固定翼無人機(jī)在低空攝影全過程中為自動(dòng)航跡規(guī)劃，保證了航向重疊率和旁向重疊率固定不變，數(shù)據(jù)處理冗余度較低，成果輸出更穩(wěn)定。而多旋翼無人機(jī)采用手動(dòng)操作，相鄰影像重疊率無法達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致特征點(diǎn)匹配不足導(dǎo)致的誤差。

3）數(shù)據(jù)量越少，誤差越小。無人機(jī)所采集的GPS信息通常為米級(jí)設(shè)備，拍攝的單張影像誤差較大，連續(xù)拍攝導(dǎo)致誤差累計(jì)增多。

4）線狀指標(biāo)和面狀指標(biāo)提取后，成果數(shù)據(jù)誤差在8%以內(nèi)。

5）三維指標(biāo)量測(cè)誤差需根據(jù)測(cè)量基準(zhǔn)面判斷誤差情況。

選擇的1號(hào)和3號(hào)為平地棄渣，是為了減少漏掉棄方量，測(cè)量基準(zhǔn)面容易勾繪，因此三維指標(biāo)測(cè)量誤差較小，誤差率不超過10%。

其他編號(hào)棄渣場(chǎng)和取土場(chǎng)均為溝道或坡面擾動(dòng)，由于缺少對(duì)原始地貌的掌握，無法準(zhǔn)確勾繪測(cè)量基準(zhǔn)面，或圈定擾動(dòng)范圍生成的曲面會(huì)相對(duì)減少或增多一部取棄方量的計(jì)算。因此誤差值較大，誤差結(jié)果僅可作參考用。

5 遙測(cè)數(shù)據(jù)精度提高方法

5.1 采用高精度GPS

傳統(tǒng)GPS定位誤差通常為米級(jí)，數(shù)據(jù)獲取過程中，這種米級(jí)誤差存在于每張對(duì)地航拍照片中，成果數(shù)據(jù)影像覆蓋面積越大，影像存在的內(nèi)誤差越大，誤差形變?cè)綇?fù)雜。因此，建議采用更高精度的GPS定位系統(tǒng)或RTK，更加準(zhǔn)確獲取無人機(jī)對(duì)地影像中心點(diǎn)坐標(biāo)，以減少GPS偏移帶來的誤差。

5.2 增加像控點(diǎn)矯正

在無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)獲取完成后，利用差分GPS建立地表特征地物坐標(biāo)提取，用于校準(zhǔn)無人機(jī)成果數(shù)據(jù)為絕對(duì)精度數(shù)據(jù)，降低由于傳統(tǒng)GPS誤差帶來的累計(jì)誤差。地面像控點(diǎn)設(shè)置數(shù)量與成果數(shù)據(jù)精度成對(duì)數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系（如圖2）。

圖2 像控點(diǎn)矯正無人機(jī)遙測(cè)成果數(shù)據(jù)精度關(guān)系圖

5.3 提高前期工作質(zhì)量

1）提高影像重疊率。在實(shí)地踏勘基礎(chǔ)上，以區(qū)域歷史遙感影像數(shù)據(jù)為輔助信息，掌握被遙測(cè)區(qū)域總體地形地貌、土地利用等基本情況，設(shè)計(jì)飛行航跡，重點(diǎn)設(shè)置飛行起降點(diǎn)、飛行高度、影像分辨率、影像重疊率和飛行架次。

航向相鄰影像重疊率不低于75%，旁向相鄰影像重疊率不低于65%。

2）剔除不參與特征點(diǎn)匹配的地物。為避免如大面積水面、沙地等低特征點(diǎn)及移動(dòng)物體參與后期成果影像運(yùn)算，應(yīng)在數(shù)據(jù)處理前提前剔除此類地物，降低成果數(shù)據(jù)輸出過程冗余度、減少高程數(shù)據(jù)誤差及正射影像模糊的拉花效應(yīng)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差等現(xiàn)象。

5.4 遙測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件

目前無人機(jī)航測(cè)影像的屬性信息都存在儀器設(shè)備因素帶來的誤差，因此為了成果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可用，選擇的無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)具備影像獲取設(shè)備畸變數(shù)據(jù)庫及飛行軌跡讀取功能，可對(duì)航測(cè)影像屬性誤差進(jìn)行過濾和矯正。雖然此類誤差并不能完全清除，但數(shù)據(jù)處理完成后，軟件自身生成的精度均能達(dá)到厘米級(jí)要求。

5.5 提高解譯標(biāo)準(zhǔn)

1）精細(xì)化解譯。無人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)正射影像的解譯需在1∶200比例尺以上解譯；成果數(shù)據(jù)解譯圖斑的勾繪應(yīng)封閉，圖形應(yīng)建立拓?fù)潢P(guān)系；圖斑邊界勾繪偏差不超過2個(gè)像元或2個(gè)柵格。

2）投影坐標(biāo)統(tǒng)一。無人機(jī)遙測(cè)成果數(shù)據(jù)應(yīng)與基礎(chǔ)底圖及解譯軟件設(shè)置的投影坐標(biāo)一致。

6 結(jié)論

綜上所述，無人機(jī)遙測(cè)成果相比實(shí)際量測(cè)，存在一定程度的誤差，長(zhǎng)度、面積等二維指標(biāo)量測(cè)誤差可控制在8%以內(nèi)，三維指標(biāo)量測(cè)時(shí)在不考慮基準(zhǔn)面和原始地貌的基礎(chǔ)上誤差可控制在10%以內(nèi)。根據(jù)（SL592-2012）《水土保持遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，水土保持遙感監(jiān)測(cè)調(diào)查中，按照?qǐng)D像解譯質(zhì)量控制要求，圖像判對(duì)誤差需控制在10%以內(nèi)。因此，松遼流域無人機(jī)遙測(cè)成果誤差滿足水土保持工作要求。