无人机航测中飞行高度对高程精度的影响分析

无人机航测中飞行高度对高程精度的影响分析

李松 张雷

西安景天水利水电勘测设计咨询有限公司 陕西西安 710000

概述：如今，无人机航测在各个领域的应用越来越广泛，其对高程精度的影响不仅仅是硬件因素，还包括许多外部因素，例如天气条件、像控点的设置、图像质量、飞行高度和重叠率等。本文将针对不同的飞行高度来阐述其对高程精度的影响。

关键词：影响分析无人机航测；高程精度；飞行高度；地面分辨率误差

前言

近年来，中国的科学技术发展已经逐步替换掉了一些传统的测量方法，比如利用电脑和遥感技术，还有利用卫星图像、三维激光扫描器以及无人驾驶飞行器进行的航空观察。其中，无人机航测因其快速、高效、精确和低成本等优点，已经被广泛地应用于水利工程的测量领域。但是在实际无人机测绘的过程中，避免不了因为各种各样的因素影响精度，如飞行高度。无人机的飞行高度差异会直接影响图像的准确性。一般而言，飞行高度的差异会对图像中的每个像素点的尺寸造成影响。随着无人机飞行高度的提升，图像中的每个像素点的实际数值将逐渐减少，从而使得图像的精确性下降。因此，如何在项目进行时确保航测的准确性，这是一个必须解决的问题。以下将通过一个水利工程的案例进行详细的阐述。

航测规范精度要求：过去的航测标准规定，对于比例尺较大的测绘图纸，禁止实施空三加密，而应当在整个野外环境下设定摄像控制点。随着航影仪和空三加密软件的飞速进步，以及长期的工程项目实践经验的积累，对于比例尺较大的测图来说，完成空三加密能够达到规范所需的精度标准，因此在航测规范中才可以允许适当放宽。尽管航测的标准清楚地指出，对于1 :500、1 :100以及1 :2000这样的比例尺较大的测量图像，如果内部的加密点的高程精度仍未达到标准要求，那么就应当选择非常小的野外布置。显然，航测工作的挑战在于高程精度。然而，全面的野外布局会导致野外任务的增加。

1、工程概况

为了分析无人机飞行高度对高程精度的影响，作业区域选择榆商线澄城至韦庄公路大峪桥项目，该项目位于蒲城县永丰镇佛里村以南约200m，为跨越大峪河所设，位于大峪河水库蓄水区以东的上游，距下游大峪河水利景观桥约384m，所处坐标为东经109°51′54″，北纬35°01′02″。该区域地势起伏不大，相对合适居住。

2、仪器与参数

大疆M300无人机，南方极点RTK，睿铂RIY-D2M相机，相机参数如下：照片分辨率（宽）6000，（高）4000，传感器尺寸（宽）23.5mm，（高）15.6mm，焦距25mm，最小定时拍照间距1s,像元物理尺寸3.92um，

3、点位布设

通过图形地图软件画出无人机航线区域范围，大小为0.5平方公里的近似正方形区域。因为该区域中心为水域，范围不大，地势相对起伏变化较小，因此我们在该区域范围内四角相对对称处布设各四个像控点与检测点，其中检测点编号如JC1、JC2、JC3、JC4。首要的是，我们利用cors技术，在南极RTK地区，实地测量了被监控地点的海拔。为确保测量的准确性，我们已经对所有的观察点实施了三次的观察，并以他们的平均海拔来确立我们的初始高度。具体来说，JC1的海拔是376.58m，JC2是377.60m，JC3是375.99m，而JC4是373.70m。最终，我们将这些由各种航空高度计算得到的检测点海拔的差异进行了比较。

4、航高与地面分辨率

当执行航空侦察任务时，我们通常将无人机的飞行高度称作航高。根据计算的标准差异，这个数值可以进一步细分为绝对航高和相对航高。实际上，所谓的相对航高，就是指无人机在飞行过程中，其摄像头到达某个特定的参考点的距离，这个距离应该与工作场所的地表平均海拔的设定标准保持一致。通常，如果其它条件保持不变，飞行高度的降低（即飞机的飞行速度降低）会导致地面的清晰度提升。在航空数码照片中，我们一般会使用在一定范围内可识别的黑白对比线的数量来衡量分辨率的高低。对于视频或照片，我们则会根据像素的规模来确定它的分辨率，也就是说，我们可以识别的最小范围。地表清晰度是衡量图片中可以和背景形成对比的最微观像素点的尺寸，换句话说，图片的尺寸越细，清晰度就会更高。地表的分辨率就是指该数据的真实距离。

依据《低空数字航空摄影规范》，以下是相对航高测量的步骤：

H=f * GSD / a

式中:

H——相对航高/m；

f——摄影镜头的焦距/mm；

GSD——影像的地面分辨率/m；

a——像元尺寸mm。

计算航高我们首先要计算或者复核像元尺寸a，可以通过传感器尺寸与照片分辨率的比值来计算，如23.5mm/6000或者15.6mm/4000，得到像元尺寸a为3.92um，与相机参数所给的像元尺寸数值一致。航高的计算，因为飞行高度与地面影像分辨率成反比关系，基于该问题我们假设需要地面分辨率为2.5cm的影像数据，通过代入上述公式计算得到的飞行高度约为159m。

5、数据分析

考虑到飞行时的环境影响，我们一般会采用低于计算得到的飞行高度去作业，因此本次分别取150m、200m、250m三个高度，飞机执行航线的巡航速度8m/s、旁向重叠率75%、航线重叠率80%，分三次在同样参数不同高度对该区域进行航测作业。所得数据通过软件PIX4D，其中地面分辨率GSD定制2.5cm进行内业处理，取得不同航高下检测点的高程。

结果如下：航高150m，JC1—JC4检测点高程分别为376.59m、377.62m、375.98m、373.70m，与已知高程差值分别为+1cm、+2cm、-1cm、0cm；航高200m，JC1—JC4检测点高程分别为376.46m、377.56m、376.10m、373.81m，与已知高程差值分别为-12cm、-4cm、+11cm、+11cm；航高250m，JC1—JC4检测点高程分别为376.65m、377.74m、376.14m、373.89m,与已知高程差值分别为+7cm、+14cm、+15cm、+19cm。

根据数据对比，我们可以得出检测点的高程随着飞行高度的增加其差值在持续增大，其中，与通过地面分辨率计算得出的飞行高度所得高程的差值最小。当然，根据实地飞行条件，我们也可以通过合适的飞行高度来反推地面分辨率，符合所需精度就可以。所以在航测过程中，飞行高度我们应尽量采取根据地面分辨率GSD所计算的航高来进行作业，以取得高精度的成果。相应的，在对高程精度要求相对不高，外界环境因素允许的情况下，如天气、地势情况，我们可以适当增加无人机的飞行高度来进行作业，以减少飞行时间，提高作业效率。当然也可以从增加航线的巡航速度，减少旁向、航线重叠率等参数设置来进行。

结语

无人机飞行高度与地面分辨率之间存在着一定关系，飞行高度越低，地面分辨率GSD越高，则精度越高，所以合理的规划飞行高度是非常有必要的。作业时可以根据所需地面分辨率GSD来较为准确的获得飞行高度，也要根据天气、地势等一些外部环境因素来综合考虑。因此，这需要测绘人员在航测技术上不断探索与完善，提高无人机航测的高程精度。

参考文献：

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[2]杨润书，马燕燕.低空无人机航摄系统地面分辨率与航高的关系研究{J}地矿测绘，2013

[3]乔起鸣.谈无人机航测技术在河道调查中的应用[J].住宅与房地产.2019,(6).272.

[4]杨松,张振军,唐磊,等.无人机航测技术在山区河道测绘中的应用分析[C].2016