无人机摄影测量像片倾角对成图精度的影响分析

罗 勇

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

无人机摄影测量像片倾角对成图精度的影响分析

罗 勇

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

目前无人机进行测图已逐渐在工程中得到应用，对于无人机测绘中的精度一直是测绘领域讨论的重要议题，从无人机拍摄过程中像片倾角产出的原理出发，分析倾角与测量地物精度的关系，并通过实例进行验证，在此基础上提出避免倾角过大的处理方法。

像片倾角；平面精度；高程精度；成图精度

无人机摄影测量是以无人飞机为空中平台,通过搭载CCD数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪，激光扫描仪、磁测仪等遥感设备获取地面信息，并使用计算机对所获取的影像数据进行处理，获得成果表达的一门信息科学。随着无人机技术的发展和国家对低空领域的开放，利用无人机进行摄影测量迅速成为地面数据获取的重要方式。但无人机在拍摄过程中容易受风力等外界环境的影响，使得相机在曝光时的照片不水平，这种因相片不水平产生的倾角对测量精度具有较大的影响，从而导致像片上的地物和地貌精度难于满足测量精度的要求。如何减小像片倾角对测量精度的影响，是无人机摄影测量重点关注的内容之一，根据倾角产生的原理来分析倾角对图形精度的影响，并采用适当的方法来加以改进，对提高摄影测量精度具有积极意义。

1 像片倾角的产生

像片倾角指的是航空摄影机在曝光瞬间主光轴与铅垂线的夹角，如图1所示。它是由于拍摄时飞机状态不水平引起的。在无人机三维空间坐标系中，它表示无人机飞行状态相对于飞机水平静止时的角度变化关系。飞机的飞行状态可用3个参数进行表示，分别是飞机绕X轴旋转的翻滚角(ω)，飞机绕Y轴旋转的俯仰角(α)，飞机绕Z轴旋转的航偏角(φ)如图2所示。从倾角的定义可以看出，像片倾角与飞机飞行中的仰俯角(α)和航偏角(φ)有关。下面分析倾斜像片与水平像片的关系。

图1

图2

2 倾斜像片与水平像片的关系

为分析倾斜像片与水平像片的关系，假设有一水平地面，在同一摄影中心S对地面点A进行摄影，一张水平像片p0，一张倾斜像片p，如图3所示。为讨论两张像片之间的关系，建立以c点为像坐标原点，以两像片等比线hchc为x轴，主纵轴线oo为y轴的像平面坐标系，地面上的A点在p0水平像片上成像为a0，坐标表示为(x0,y0)，在倾斜像片上成像为a，坐标表示为(xc,yc)，f为相机焦距，α为像片倾角，两者的关系可表示为：

(1)

因此可以通过两者的关系式来分析同一地面点A，在水平相片上和倾斜相片上的坐标关系，从而得出相片倾斜对成图精度的影响。

图3 倾斜像片与水平像片的关系

3 像片倾角对成图精度的影响

无人机航摄测量中，通常通过立体像对图形进行分析和处理，并将获得的数据用三维坐标(x,y,h)来表示，因此，要分析倾角对成图精度的影响，需从像片倾角对平面位置和高程位置两方面的影响来进行讨论。

3.1 像片倾角对水平位置的影响

(2)

当俯仰角α不变时，从(2)式可以得出水平位移与航偏角φ的关系为：

(1)当φ=0°和180°时，δa=0，即像片水平时，像点无位移；

(4)当φ=90°和270°时，sinφ=±1，即δa最大。

由以上结果可以得出，当像片不不水平时，像点产生位移。其大小与相机焦距成反比，与α和φ的正弦之积成正比。

3.2 像片倾角对高程位置的影响

通过图3中的单张像片分析了倾角对水平位移的影响，为了分析倾角对高程的影响，必须引入标准像对，摄影测量中将摄影基线水平的两张水平像片组成的立体像对称为标准式像对。如图4所示。

图4 标准立体像对关系图

(3)

δh=a1x+a2y+a3xy+a4x2[5]

(4)

由公式(4)可以得出，像片倾角引起的高程误差为双曲线抛物面。公式中a`,a2,a3,a3是与像片外方位元素有关的常数。

4 像片倾角对成图精度影响实例分析

2016年8月，为获得永州市某农场地形图，采用HDSY-G03无人机，搭载索尼A5100相机对该区域进行了航摄，并生成了1:1000数字线化图，从第3条航带的76张像片中选取10张典型像片为研究对象，根据POS记录的像片倾斜角，并从图中对无遮盖的地物特征点三维坐标进行了量测后，与野外RTK实测坐标值进行对比，对比结果见倾角对位移影响关系表，见表1。

表1 倾角对位移影响关系表

注：表1中δh为像点高程位移理论计算值，δa为像点平面位移理论计算值。

从表1可以看出：

(1)无人机飞行时同时产生航向倾斜(α)和旁向倾斜(φ)，倾斜位移受两个方向的共同影响，平面位移理论计算值δa与ΔL，高程理论差值计算值δh与Δh较小，利用公式计算倾角影响与实测相符。

(2)当航向倾角φ=1.8220060时平面精度影响0.386m，高程精度影响-0.433m，符合《GB/T14912-2005 1∶500 1∶1000 1∶2000外业数字测图技术规程》中规定的要求，点位平面中误差不应超过±0.3(±0.5)m，高程误差不超±1/3(±1/2)h(h为基本等高距)的规定值。因此无人机在航拍飞行过程中，像片倾角应满足《GB/T7931-2008 1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量外业规范》中的要求，即无人机飞行过程中将像片倾角≤2°。大于规定倾角值的相片需要进行航片倾角的校正。

5 避免像片倾角过大的处理方法

为了保证成图精度，在航拍外业和内业数据处理过程中，我们可以采用以下方法进行控制：

(1)选择天气较好，空气中气流等因素的影响较小的天气进行飞行，使外业飞行的像片倾角φ≤2°，以满足规范要求。

(2)提高飞机的性能，增强飞机抗外界干扰的能力，提高飞行期间飞机的稳定性，如采用较大型飞机和多旋翼飞机，避免飞行过程中倾角过大。

(3)使用高精度云平台，提升POS定位精度，用于像片内业倾角纠正；定期对云平台进行检修，避免因检修不及时造成的仪器误差。

(4)内业选用高精度的控制点进行像片校正，通过空中三角测量的精度来减小倾角对成图精度造成的影响。

[1] 史俊莉.无人机航测地形图的高程精度影响因素分析[J].新技术新工艺，2014(9).

[2] 连振华.无人机航摄像片对立体高程扭曲的影响分析[J].地理空间信息，2010(8).

[3] 卢晓攀.无人机低空摄影测量成图精度实证研究[D].中国矿业大学，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

罗 勇(1982-)，男，江西九江人，讲师，硕士，主要从事工程测量技术专业的教学和教研工作。

P231

A

1673-0496(2017)02-0030-03

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