无人机航测对比传统低空航测（倾斜摄影测量技术优势）

摘要：国内倾斜摄影测量技术目前仍处于快速发展的推广阶段，其成果精度高度依赖于航测生产全流程中各航测参数的选取，很难实现对其绝对精度的定量分析。针对这一难点，本文采用对比分析的方式，以传统低空航测为参照，在严格统一外部数据采集条件、解算参数的基础上对无人机倾斜摄影测量进行精度评估与分析，探索无人机倾斜摄影测量的突出技术优势。试验共涉及12种主流航测模式及52种地面控制点，采用递进布设方式对比分析其成果精度，并完成了倾斜摄影测量对比传统低空航测的量化分析。本文可为倾斜摄影测量精度评估提供一定的参考，具有较好的工程实践指导意义。

正文

近年来，航空摄影测量技术快速发展并与其他学科不断交叉融合，利用无人机进行航空摄影测量变得越来越便捷^[1^]。无人机具有高时效性、高分辨率和低成本3大技术优势，在常规对地观测和测绘应急保障中发挥了重要的作用，如重大工程建设、艰险困难山区测绘，以及地震、滑坡、泥石流、水旱灾害、森林火灾等重大自然灾害的快速应急响应等^[2^-3^]。无人机航测作为利用二维对地观测影像提取三维地表空间信息的重要技术手段，其关键是快速而准确地恢复影像获取时的空间方位。长期以来，这一目标是借助大量合理分布的地面控制点，通过空中三角测量间接实现的^[4^]。随着空间定位技术(机载RTK、PPK)^[5^-6^]、传感器技术(小型非量测数码相机、五镜头倾斜航摄仪)^[7^]、计算机技术(计算机视觉、运动恢复结构、多角度立体观测)^[8^-9^]等的快速发展，航空摄影测量正朝着无需地面控制点的方向迈进^[4^]。无人机倾斜摄影测量作为一种新兴的技术方法已在三维建模和测绘生产中展现了巨大的潜力，但国内倾斜摄影测量技术目前仍处于快速发展的推广阶段^[10^]，其成果精度高度依赖于航测生产全流程中各航测参数的选取，对于其成果精度指标仍需进一步研究。而进行无人机航空摄影测量产品的质量评估是一项复杂的任务，因其在规划设计—外业实施—内业解算全流程中涉及多个变量(如外部天气、光照等环境条件；无人机飞行速度、姿态；传感器尺寸、焦距；机载定位设备；飞行航高、航带设计；控制点数量与布设；内业解算参数选取等)，均将影响最终的成果质量^[11^-12^]。没有任何一项试验能够涵盖所有必要的方面，因此对无人机航空摄影测量产品的正确评估要求必须尽可能多地考虑摄影测量过程中的所有要素，这也导致无人机航测的绝对精度很难实现定量分析的目的。

鉴于无人机倾斜摄影测量的绝对精度指标较难实现定量分析，本文采用对比分析的方式，以传统低空航测模式为参照，在严格统一外部数据采集条件、参数的基础上对无人机倾斜摄影测量进行精度评估与分析。试验共涉及当前主流的12种航测模式及52种像控点布设数量方案，探索无人机倾斜摄影测量的突出技术优势, 以期为倾斜摄影测量精度评估提供一定的参考依据。

1 严格对比条件下试验方案设计1.1 试验区概况

试验区域为四川省甘孜州泸定县磨西台地所处的磨西镇，地处贡嘎山东坡，海螺沟冰川森林公园入口处。试验区海拔约为1585~1635 m，平均坡度为7.5%，所处地形呈东南—西北台地地形分布，测区东南至西北海拔逐渐升高但整体坡度平缓均匀，有助于使航测基高比分布于合理区间。此外，沿航测区域纵向分布有3条主干道，有助于地面控制点均匀布设及精确测量。试验区概况如图 1所示。

图 1试验区域概况

1.2 无人机航测试验方案设计

本次无人机航测设备采用行业广泛使用的DJI M600 Pro六旋翼无人机为飞行平台，搭载Rainpoo DG3五镜头倾斜航摄仪。因倾斜相机侧视拍照的缘故，为使正射影像与倾斜影像的地面平均分辨率保持一致，倾斜相机焦距的设定需略高于正射相机，航摄仪各镜头参数见表 1。

表 1航摄仪相关参数指标

在航测设计阶段必须考虑无人机的各项测量参数。其中之一便是飞行高度，飞行高度与相机参数共同决定了地面采样距离(GSD)，即两像素中心对应的地面实际距离。已有研究表明，数据建模精度约为GSD的2~3倍^[2^{, 5}^]，依据《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004—2010)^[13^]，试验设定航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%，影像平均地面分辨率为2.5 cm，其对应最低点飞行高度约为150 m，航带布设如图 1(b)所示。本次航摄共布设航线17条，共采集影像1930张，其中正射镜头影像386张，对应成图面积0.25 km²。

为对比分析五镜头倾斜摄影测量精度指标，试验以传统正射模式为参照，即仅采用下视镜头影像，分别采取6种航测模式、12种试验方案进行对比分析。此种对比方式，可以保证正射模式与倾斜模式在航摄时外部环境参数、航线及拍照点位置严格一致。精度评定内容主要以是否使用机载PPK、地面控制点及其密集程度为主，具体方案及其名称见表 2。

表 2 主流航测模式精度对比试验方案设计

三维模型的精度与控制点数量密切相关，适当增加控制点数量，可以提高空中三角测量的精度^[14^]。为进一步验证地面控制点数量与精度之间的对比关系，本文在上述对比的基础上，还制订了控制点数量分别为3~15时，涉及像控点布设的4类主流航测模式的成果精度对比试验，共计52种试验方案。

1.3 控制网布设与测量

为对全局精度进行评估，按规范中关于1∶500比例尺旁向相邻平面控制点的航线跨度要求，控制点每间隔4条航线布设^[13^{, 15}^]。沿3条主干道共布设了23个地面控制点，皆为平高点。控制点布设统一采用文献[16]提出的适合无人机航测的最优布点方案，各试验方案控制点按图 1中序号先后选取使用，未参与解算的控制点作为精度评估的检查点使用。控制点采用GNSS RTK方式测量，测量基站布设于距测区约100 m的中科院贡嘎山监测站内，其测量精度可达平面1 cm、高程1.5 cm^[12^]，完全能够满足本文精度评估的使用需求。

2 数据处理与结果2.1 精度评估指标

目前，航空摄影测量中广泛使用均方根误差(RMSE)作为精度指标进行航测成果精度评定^[9^{, 17}^]，其主要通过与未参与解算的检查点进行对比评估。具体而言，基于航测成果DOM与DSM，识别出各检查点并提取其三维坐标(x,y,z)，并与GNSS RTK测量值(x_RTK,y_RTK,z_RTK)进行对比，得到相应的均方根误差，其定义公式如下

(1)

式中, RMSEx、RMSE_y、RMSE_z为检查点的均方根误差;n为检查点数量; x_i、y_i、z_i分别为检查点i的图像测量值;xRTKi、yRTKi、zRTKi分别为检查点i的实测值。航测成果全局的平面与高程均方根误差、全局三维均方根误差分别为

(2)

(3)

(4)

2.2 数据处理结果

在本文对比试验中，内业解算采用ContextCapture软件，它是行业使用最为广泛的倾斜建模软件之一。为使精度对比结果更严谨准确，在整个解算过程中，导入使用统一的空间坐标系统的影像集与控制点，仅使用下视影像集完成像控点刺点。完成以上处理后，各航测模式对比试验解算采用复制工程的方式，使像控点刺点位置严格一致。除控制点选取外，采用完全一致的解算参数选取。基于以上操作，可以达到解算精度严格对比的目的。

经过内业统一严格解算后，12种主流航测模式的空三主要成果指标见表 3。可以看出，各试验方案成果像元平均分辨率约为2 cm，具有较高的地面分辨率。且整体重投影误差较小，达0.5像素，即空三解算过程中区域网平差收敛程度较好，像点残差具有较高的内符合精度，即区域网平差精度已经达到了较好的水平^[18^]。

表 3 各主流航测模式成果精度

通过解算出的拍照点至元数据定位距离可以看出，仅采用飞行平台自身GPS，其整体定位精度约为1.5 m，而采用机载PPK系统，其定位精度可达2 cm甚至更高。而采用地面控制点模式，元数据定位距离可达数十米，主要与目标坐标系统投影区高程异常有关(GPS测量高程为大地高，目标坐标系统采用正常高)，而采用与地面控制点联测的PPK系统，定位精度可得到极大改善，约0.9 m。

综上，若不使用地面控制点，仅采用航摄平台自身GPS定位数据辅助自动空中三角测量的方式^[14^]，其成果三维误差与地面GNSS测量值差别巨大(达32 m)，且主要表现在高程误差方面，由飞行平台GPS定位与目标坐标系统高程异常所致。采用后差分系统可有效提高拍照点定位精度，但因缺少地面像控点支持，其绝对定位精度仅能提高至分米级^[19^]。在将不同密集程度的地面像控点纳入空三解算的过程中，三维误差急剧减小，最小至厘米级^[20^]。

3 精度评估与分析3.1 各主流航测模式精度对比

对比各主流航测模式均方根误差分布情况(如图 2所示)，可以看出，仅采用机载定位GPS辅助空三解算，其整体误差水平较高。而采用PPK模式，则精度大幅提升，成功解决了机载GPS定位与目标坐标系统之间的高程差异问题。对于使用机载PPK系统提高定位精度后，采用五镜头倾斜摄影测量模式可将均方根误差由正射模式的2.197 m提升至0.813 m，整体精度提升了170.20%，由米级提升到亚米级。由此可见，当无人机航测设备搭载PPK时，采用五镜头倾斜摄影可大大提升成果精度。

图 2各航测模式成果误差分布及精度对比

在航测生产实践中，一般需要布设3个以上的地面控制点，以使目标的绝对定向达到较高的精度。从图 2可以看出，当将地面测量的控制点纳入空三解算后，成果精度进一步提升，与PPK机载定位模式相比提升了4倍左右，精度指标量级由亚米级快速提升至分米级，随着地面控制点布设密度的增加，精度将进一步提升至厘米级。从图 2中附图可以看出，在机载GPS与地面控制点联合解算下，五镜头倾斜摄影测量精度相比传统正射模式分别提升了16.22%(稀疏控制点)与30.49%(密集控制点)。同理分析可知，在采用PPK定位模式与地面控制点联合解算下，五镜头倾斜摄影测量成果精度相比传统正射模式仍然分别提升了15.53%(稀疏控制点)与26.79%(密集控制点)。通过量化分析可以推断，当控制点布设加密一倍时，五镜头倾斜摄影测量的优势将进一步扩大，相对精度量级也提升一倍左右。此外，当控制点数量加密一倍时，单镜头正射模式成果精度比稀疏控制点的五镜头倾斜摄影模式分别提升了25.87%与31.33%。由此可见，无论是正射模式还是五镜头倾斜模式，成果精度指标都比未加密时提升巨大，可见地面控制点数量对于成果精度的影响巨大，有必要进一步分析成果精度指标随控制点数量递增时的变化情况。

3.2 成果误差与控制点数量对应关系分析

根据前文试验方案，我们对控制点数量分别为3~15时四类主流航测模式的成果精度进行了对比分析，其主流航测模式下成果误差与控制点数量对应关系如图 3所示。整体三维误差分布如图 3(a)所示，采用五镜头倾斜摄影测量模式，在控制点数量为8时，即可达到0.086 m的最高精度，而传统正射模式要达到最优精度，需要10个控制点，且绝对精度仍低于五镜头倾斜摄影模式。

图 3主流航测模式下成果误差与控制点数量对应关系

将三维误差分解到其对应的平面与高程上，平面误差分布如图 3(b)所示。可以看出，当地面控制点为最低要求3时，平面误差分别为0.140 m(正射模式)与0.106 m(五镜头倾斜摄影)；而当地面控制点提升为四周边界分布的4个时，模型平面误差分别快速提升至0.069与0.059 m，精度提升一倍左右，且达到最大值。对于高程精度，五镜头倾斜摄影模式可以使用更少的控制点达到较高的精度，如图 3(c)所示，控制点数量为8时，采用五镜头倾斜摄影模式即可达到0.059 m的较高精度；而采用传统下视镜头的正射模式达到同样的精度则需要10个控制点。此外，对比平面误差与高程误差分布图可以发现，高程精度对控制点数量更加敏感，通过适当增加控制点可显著提升高程精度，且两者大致呈倍数关系，即若要达到同一精度，高程控制点需是平面控制点约2倍。

当控制点数量达到一定程度后，成果精度达到较高水平，再增加控制点对成果精度的提升不大，持续增加控制点数量反而导致成果精度逐渐降低。进一步分析控制点数量与重投影误差及连接点数量之间的关系不难发现，随着控制点数量的增加，空三成果的连接点数量反而减少，传统正射模式的重投影误差显著增大，导致像点残差内符合精度降低，模型收敛程度减弱，最终导致整体精度降低，如图 4所示。与此同时，由重投影误差与控制点数量关系可以看出，倾斜摄影测量模型整体维持在一个稳定的收敛程度，而传统正射模式由于缺少侧视像元的支撑，模型稳定性整体相较于五镜头倾斜摄影模式较低。