保障航測精度的幾個方面
靠近被攝物越近，則精度越高
GSD 與飛行高度的關(guān)系
客戶 A 需要 GSD 為 5cm/pixel的數(shù)據(jù)，那 GSD 是什么呢？GSD 為地面影像分辨率，是指圖像中相鄰兩個像素中心的距離代表實(shí)際距離是多少，飛行高度決定了地面影像分辨率（GSD）。飛行高度與地面影像分辨率成反比，飛行越高地面影像分辨率越低。那他們具體的關(guān)系是什么呢？
以大疆精靈 Phantom 4 RTK 為例，像元大小為 2.41微米，相機(jī)焦距為 8.8mm，代入公式得H≈36.5*GSD。那客戶 A 需要的GSD為5cm/pixel 的數(shù)據(jù)，通過計算得到的飛行高度約為182米?？紤]到飛行時的環(huán)境影響，我們一般會低于計算得到的飛行高度去作業(yè)，我們可以選取 150 米的飛行高度來確保得到的數(shù)據(jù)滿足客戶要求。
精度與飛行高度的關(guān)系
客戶 C 要的精度不能超過 5cm 指的是什么呢？精度分為相對精度和 精度兩種，相對精度指的是在合成的模型上測量的精度，比如要測量模型中道路的長度，測量得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際的差異是多少。 精度指的是合成模型上地物的位置與實(shí)際位置的差異，比如模型中路燈的位置與實(shí)際位置的差異是多少。
以大疆精靈 Phantom4 RTK 為例，在厘米級的定位條件下其相對精度和 精度能達(dá)到1~2*GSD。什么意思？比如客戶需要相對精度為 5CM 的數(shù)據(jù)，我們飛行時采用的 GSD 可為2.5~5cm/pixel。為了保證效果，實(shí)際飛行時我們可以采用 GSD為 2 cm/pixel，飛行高度約為 73 米進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
圖像精細(xì)度與飛行高度的關(guān)系
客戶 D 說我要能看出電線的模型，那如何能把電線重建出來呢？要重建一個物體，這個物體在圖像中要至少占用兩個像素。以電線為例，高壓線頂上的地線直徑約為 1.6cm，那我們拍攝時選取的 GSD 更大 為 0.8cm/pixel。以大疆精靈 Phantom 4 RTK 為例，在飛行時距離電線不要超過 29 米。
武漢多普云科技有限公司出品的貼近攝影測量DPGo軟件，是將相機(jī)對準(zhǔn)這個被攝物剖面攝影，三維重建的模型的也正射投影到這個剖面，能夠一定程度的去距離被攝物最近，獲取更優(yōu) 的紋理信息。
比例尺越大，則精度越高
比例尺與飛行高度的關(guān)系
客戶需要 1:500 比例尺數(shù)據(jù)，那我們?nèi)绾卧O(shè)置飛行高度來滿足這一要求？GSD 反映了像素與實(shí)際距離的關(guān)系，比例尺表示圖上距離與實(shí)際距離的關(guān)系。那我需要知道像素與圖上距離的關(guān)系，才能解決 GSD 與比例尺之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這里我們要引入一個 DPI 概念，DPI 可理解為每英寸的像素數(shù)。比如打印地圖時，打印機(jī)分辨率為 300DPI，那么打印的地圖中
1 英寸= 300 個像素1 英寸= 2.54 厘米1 像素=2.54/300 ≈ 0.008467 厘米
如果打印的地圖比例尺為 1：500則地圖上一個像素代表0.008467*500≈ 4.23厘米
以此類推比例尺為 1：1000 1像素=0.008467*1000≈8.47 厘米比例尺為 1：2000 1像素=0.008467*2000≈16.93 厘米所以當(dāng) DPI 為 300 時，可得以下表格
在實(shí)際作業(yè)中，需要考慮到成圖誤差，我們選取理論值兩倍 GSD 保障作業(yè)精度。
提高像控點(diǎn)精度
像控點(diǎn)精度包括像控點(diǎn)的測量精度和像控點(diǎn)影像目標(biāo)精度。使用GPS測量像控點(diǎn)的精度較高，誤差小于5cm，能夠滿足大比例尺測圖的技術(shù)要求。像控點(diǎn)影像目標(biāo)精度取決于影像紋理的豐富度，如果影像紋理較差則內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點(diǎn)誤差至少達(dá)到2～3像素。由于無人機(jī)航線設(shè)計的影像重疊度較高，采用先布設(shè)像控點(diǎn)再航拍則內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點(diǎn)精度可提高至1.5像素以內(nèi)，可將像控點(diǎn)精度提高至0.1 m，同時也能解決相片控制點(diǎn)布設(shè)不均勻問題。
像控點(diǎn)布設(shè)的好壞對后期成圖起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，首先，每個架次的至少需要5個相控點(diǎn)。若遇到地形起伏變化較大，數(shù)目植被復(fù)雜地區(qū)需加密像控點(diǎn)，若不加密或者分布不均勻覆蓋飛行區(qū)域時，會導(dǎo)致翹曲、導(dǎo)致平差數(shù)據(jù)不能達(dá)到精度要求。
像控點(diǎn)的布設(shè)的好壞對后期成圖起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，首先，每個架次的至少需要5 個相控點(diǎn)。若遇到地形起伏變化較大，數(shù)目植被復(fù)雜地區(qū)需加密像控點(diǎn)(圖1)，若不加密或者分布不均勻覆蓋飛行區(qū)域時，會導(dǎo)致翹曲(圖2)、導(dǎo)致平差數(shù)據(jù)不能達(dá)到精度要求。
圖1 像控點(diǎn)分布正確方式
圖2 像控點(diǎn)分布錯誤情況
控制測量是為了保證空三的精度、確定地物目標(biāo)在空間中的 位置。在常規(guī)的低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范中，對控制點(diǎn)的布設(shè)方法有詳細(xì)的規(guī)定，是確保大比例尺成圖精度的基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)相對于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高，現(xiàn)在的規(guī)范關(guān)于像控點(diǎn)布設(shè)要求不適合應(yīng)用于高分辨率無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。無人機(jī)通常采用 GPS 定位模式，自身帶有 POS 數(shù)據(jù)，對確定影像間的相對位置作用明顯，可以提高空三計算的準(zhǔn)確度。
常規(guī)三維建模
基于ContextCapture （Smart3D）算法，從最終空三特征點(diǎn)點(diǎn)云的角度可 以 提 供 一 個 控 制 間 隔，建議值是按每隔20000 ～ 40000 個像素布設(shè)一個控制點(diǎn)，其中有差分POS 數(shù)據(jù)( 相對較 的初始值) 的可 以 放 寬 到40000個像素，沒有差分 POS 數(shù)據(jù)的至少 20 000 個像素布設(shè)一個控制點(diǎn)。同時也要根據(jù)每個任務(wù)的實(shí)際地形地物條件靈活應(yīng)用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點(diǎn)非常少的，需要酌情增加控制點(diǎn)。控制點(diǎn)測量采取附合導(dǎo)線測量方式，獲取高精度位置信息。
應(yīng)急測繪保障
發(fā)生地震、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害后，為及時獲取災(zāi)區(qū)可量測三維數(shù)據(jù)，不能按照傳統(tǒng)的作業(yè)方式進(jìn)行控制測量，可通過在 Google 地圖讀取坐標(biāo)、手持 GPS 測量、RTK 測量等方式快速獲取災(zāi)區(qū)少量控制點(diǎn)，生成災(zāi)區(qū)真三維模型，為災(zāi)后救援提供幫助。
點(diǎn)位選擇要求
影像控制點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰，選擇在易于識別的細(xì)小現(xiàn)狀地物交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)等位置固定且便于量測的地方。條件具備時，可以先制作外業(yè)控制點(diǎn)的標(biāo)志點(diǎn)，一般選擇白色( 或者紅色) 油漆畫十字形標(biāo)志，并在航攝飛行之前試飛幾張影像，確保十字標(biāo)志能在傾斜影像上正確辨識?？刂泣c(diǎn)測量完成后，要及時制作控制點(diǎn)點(diǎn)位分布略圖、控制點(diǎn)點(diǎn)位信息表，準(zhǔn)確描述每個控制點(diǎn)的方位和位置信息，便于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)使用。
特別說明① 像點(diǎn)標(biāo)志
在整個像控布設(shè)環(huán)節(jié)，像控標(biāo)志類型、尺寸大小及和布設(shè)位置至關(guān)重要。
①標(biāo)志的類型首先，從用途來說，像控點(diǎn)是模型成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)。其反映在技術(shù)流程上，外業(yè)中，需要實(shí)測標(biāo)志點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程；內(nèi)業(yè)中，在空中三角測量環(huán)節(jié)，用于像片刺點(diǎn)。因此，像控標(biāo)志的識別度、反射光的程度、與周邊地物色差大小都是需考慮的。除了道路已有交通標(biāo)志線角點(diǎn)和明顯清晰線性地物交點(diǎn)，下圖是三類親測好用的標(biāo)志類型：
②標(biāo)志尺寸以無人機(jī)的空中視角來說，地面標(biāo)志相當(dāng)小，不同分辨率的照片對地面標(biāo)志的大小要求不同，經(jīng)實(shí)踐測試，地面分辨率2-3公分時，地面標(biāo)志宜在60cmX60cm以上的尺寸，在無人機(jī)拍攝的像片上才能清晰可見。
③位置選擇以五鏡頭相機(jī)為例，其傾斜角度一般為45度，傾斜視線很容易被遮擋，除了大樹、高樓和途徑車輛，還會被高莖雜草、電力線所遮蓋，當(dāng)高空拍攝像片時，以像素為單位進(jìn)行處理，因此，在選擇點(diǎn)位時，需避開上述遮擋物。另外，為防止人為破壞，布設(shè)可移動標(biāo)志時還需考慮盡量遠(yuǎn)離人為活動頻繁區(qū)域。
特別說明② 布設(shè)流程
①像控預(yù)布設(shè)在項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，需要對測區(qū)概況有所了解。通常借助衛(wèi)星圖進(jìn)行像控點(diǎn)位的預(yù)布設(shè)，秉持“角點(diǎn)布設(shè)，中間加密，均勻布設(shè)”的原則，設(shè)計像控點(diǎn)位。外業(yè)中，可通過手機(jī)定位實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)點(diǎn)位“放樣”。
②像控實(shí)地測設(shè)將預(yù)先布設(shè)的點(diǎn)位，放樣至實(shí)地，并于電子地圖標(biāo)記位置、拍攝照片作為點(diǎn)之記，以便后續(xù)查找、對照和檢查。坐標(biāo)采集多采用RTK獲取。
③點(diǎn)位補(bǔ)測在工程實(shí)際中，像控標(biāo)志被人為毀壞或遮蓋的情況屢見不鮮，因此需要做好事后點(diǎn)補(bǔ)測工作，保證該處有點(diǎn)，以便構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，達(dá)到控制誤差累積的效果。
④像控數(shù)據(jù)檢查其一、檢查本地坐標(biāo)點(diǎn)位是否與已有地形圖坐標(biāo)系一致，相對位置關(guān)系是否正確。像控坐標(biāo)成果好壞至關(guān)重要，需及時檢查，以免坐標(biāo)系不符合要求或點(diǎn)位、點(diǎn)號錯誤。 其二、檢查像片上是否清晰可見像控標(biāo)志。如像控標(biāo)志被遮蓋或毀壞的問題，可通過查看對應(yīng)位置像片，及時檢查出來，進(jìn)而提出外業(yè)補(bǔ)救方案
⑤內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)刺點(diǎn)，即在多視角、多幅像片上 標(biāo)記出同名控制點(diǎn)的位置。后續(xù)通過空中三角測量解算，將整體坐標(biāo)糾正至本地坐標(biāo)系或其它平面坐標(biāo)系。刺點(diǎn)原則可概括為，“虛實(shí)結(jié)合像素點(diǎn)、不刺過曝像片、不刺像片邊緣”，盡量多鏡頭像片皆刺點(diǎn)。
提高相機(jī)畸變參數(shù)精度
無人機(jī)搭載的非量測相機(jī)影像畸變較大且檢校結(jié)果不穩(wěn)定，可通過提高相機(jī)畸變參數(shù)的精度解決該問題。一是建立三維控制場，及時檢測無人機(jī)航拍前后的相機(jī)畸變參數(shù)；二是固定相機(jī)鏡頭，減小相機(jī)畸變參數(shù)變化對加密成果的影響。
提高影像清晰度
無人機(jī)航拍影像清晰度受飛行速度、快門速度、飛行顛簸程度等影響。將無人機(jī)飛行速度控制在每小時80km以內(nèi)、相機(jī)快門速度1/120s，可降低影像噪音。
相機(jī)的曝光時間選取和天氣有著密切的關(guān)系，當(dāng)光線條件不好的時候，應(yīng)該盡量增加曝光時間，同時在選定的兩個曝光時間分別照相，通過相機(jī)的ISO 數(shù)值進(jìn)行比較，ISO 數(shù)值越小則相片質(zhì)量越好，所以選擇ISO 數(shù)值較小。
提升圖像質(zhì)量
影響圖像質(zhì)量的因素分為天氣因素與相機(jī)本身因素。
天氣因素主要是風(fēng)、霧霾。當(dāng)風(fēng)速過大時(不超過5 級)，應(yīng)該考慮停止飛行。首先，風(fēng)大會造成飛機(jī)飛行速度和姿態(tài)變化過大，導(dǎo)致從空中所照的照片扭曲程度過大，最終成像模糊。同時會加速飛機(jī)動能的消耗，導(dǎo)致縮短飛行時間，最終有可能會在有限的時間內(nèi)未能完成計劃區(qū)域。
相機(jī)本身因素主要是對相機(jī)的像素和曝光時間的，像素主要相機(jī)本身決定，曝光時間的選取和天氣有著密切的關(guān)系，當(dāng)光線條件不好的時候，應(yīng)該盡量增加曝光時間，同時在選定的兩個曝光時間分別照相，通過相機(jī)的ISO 數(shù)值進(jìn)行比較， ISO 數(shù)值越小則相片質(zhì)量越好，所以選擇ISO 數(shù)值較小照片對應(yīng)的曝光時間(圖3，圖4)。
圖3 ISO 值為100
圖4 ISO 值為1000
合適的重疊率
重疊率是提高相片連接點(diǎn)的重要保障，但是有些時候?yàn)榱斯?jié)儉飛行時間或擴(kuò)大飛行區(qū)域，會調(diào)低重疊率。重疊率若低，每個地物點(diǎn)僅會在少量航片中顯現(xiàn)，在提取連接點(diǎn)的量會很少，相片的連接點(diǎn)少自然會導(dǎo)致飛機(jī)的照片連接粗糙，最終導(dǎo)致提取的連接點(diǎn)平差結(jié)構(gòu)弱(見圖5，圖6)。高的重疊率則可避免上述問題。
圖5 低重合率
圖6 高重合率
低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為 60% ～ 80%，最小不小于 53%; 旁向重疊度一般應(yīng)為 15% ～ 60%，最小不小于 8%”。在無人機(jī)傾斜攝影時，旁向重疊度是明顯不夠的。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是 66．7%?？梢詤^(qū)分為建筑稀少區(qū)域和建筑密集區(qū)域兩種情況來進(jìn)行介紹。
建筑稀少區(qū)域
考慮到無人機(jī)航攝時的俯仰、側(cè)傾影響，無人機(jī)傾斜攝影測量作業(yè)時在無高層建筑、地形地物高差比較小的測區(qū)，航向、旁向重疊度建議更低 不小于70%。要獲得某區(qū)域完整的影像信息，無人機(jī)必須從該區(qū)域上空飛過。以兩棟建筑之間的區(qū)域?yàn)槔绻@兩棟建筑由于高度對這個區(qū)域能形成完全遮擋，而飛機(jī)沒有飛到該區(qū)域上空，那么無論增加多少相機(jī)都不可能拍到被遮區(qū)域，從而造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。
建筑密集區(qū)域
建筑密集區(qū)域的建筑遮擋問題非常嚴(yán)重。航線重疊度設(shè)計不足、航攝時沒有從相關(guān)建筑上空飛過，都會造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。為提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量，影像重疊度最多可設(shè)計為80% ～ 90%。當(dāng)高層建筑的高度大于航攝高度的1 /4 時，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法進(jìn)行解決。如 的上海陸家嘴區(qū)域傾斜攝影，就是采用了超過 90%的重疊度進(jìn)行影像采集以杜絕建筑物互相遮擋的問題。影像重疊度與影像數(shù)據(jù)量密切相關(guān)。影像重疊度越高，相同區(qū)域數(shù)據(jù)量就越大，數(shù)據(jù)處理的效率就越低。所以在進(jìn)行航線設(shè)計時還要兼顧二者之間的平衡。
區(qū)域覆蓋設(shè)計
“航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%”，這是原規(guī)范在航攝區(qū)域邊界覆蓋上的保證，但在無人機(jī)傾斜攝影時是明顯不夠的。理論上，需要目標(biāo)區(qū)域邊緣地物能出現(xiàn)在像片的任何位置，與測區(qū)中心地區(qū)的特征點(diǎn)觀測量一樣?？紤]到測區(qū)的高差等情況，可以按照式( 2) 來計算航線外擴(kuò)的寬度L =H1×tan θ+ H2－H3 ( ) +L1 ( 2)式中，L 為外擴(kuò)距離; H1 為相對航高; θ 為相機(jī)傾斜角; H2 為攝影基準(zhǔn)面高度; H3 為測區(qū)邊緣更低 點(diǎn)高度; L1 為半個像幅對應(yīng)的水平距離。
2
如何檢查航測的精度
無人機(jī)航拍照片質(zhì)量
1 避免無人機(jī)航拍影像曝光
影像的曝光過度或不足、影像的重影、散焦與噪點(diǎn)，將嚴(yán)重影響三維建模的質(zhì)量。
為了避免這類曝光問題、在外出航拍時盡量提前看天氣預(yù)報，在多云的天氣拍攝比大晴天更好，如果必須在晴天拍，更好 選擇中午左右使陰影區(qū)域最小化。
2 無人機(jī)航拍快門選擇
拍攝前調(diào)試使用最合適的快門、光圈、ISO值。
參數(shù)相同點(diǎn)：
都可以調(diào)節(jié)曝光的明暗度，光圈大、ISO高、快門速度慢都會曝光過亮；
不同點(diǎn)：
光圈可調(diào)節(jié)景深，小光圈景深大，大光圈景深小；
景深無法通過ISO快門來控制，這就是光圈和ISO快門的區(qū)別。
ISO除了明暗調(diào)節(jié)還有一個特點(diǎn)是降低畫質(zhì)，ISO高了畫質(zhì)就會降低，所以升高ISO在三要素里是最后考慮的，實(shí)在不行才提高ISO。
3 其它技術(shù)總結(jié)
（1）相機(jī)感光體CCD的尺寸、焦距以及像素的大小直接影響影像的精度從而影響模型的精度。
（2）在相機(jī)參數(shù)不變的情況下，無人機(jī)飛行高度（曝光點(diǎn)到地物的高度）是決定模型精度高低的關(guān)鍵因素。
（3）在建模的過程中，需要知道相機(jī)感光體CCD的尺寸說到傳感器的尺寸，其實(shí)是說感光器件的面積大小，這里就包括了CCD和CMOS。
感光器件的面積越大，CCD/CMOS面積越大，捕捉的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。
（4）傳感器尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好。
1/1.8英寸的300萬像素相機(jī)效果通常好于1/2.7英寸的400萬像素相機(jī)(后者的感光面積只有前者的55%)。
（5）而相同尺寸的傳感器像素增加固然是件好事，但這也會導(dǎo)致單個像素的感光面積縮小，有曝光不足的可能。
（6）拍攝好的影像，不要進(jìn)行任何的編輯，包括改變尺寸、裁剪、旋轉(zhuǎn)、降低噪點(diǎn)、銳化或調(diào)整亮度、對比度、飽和度或色調(diào)。
（7）CC建模軟件不支持拼接的全景圖作為原始數(shù)據(jù)。
（8）飛行過程中的數(shù)據(jù)會有一定的圖像模糊，尤其是旋翼傾斜上使用的普通相機(jī)，對于微單相機(jī)來說，運(yùn)動模糊是不可避免的。
運(yùn)動模糊會導(dǎo)致特征點(diǎn)提取不準(zhǔn)，從而：
空三處理中的連接匹配帶來很大的影響；
三維重建中的粗匹配產(chǎn)生較大的影響。
（9）模型重建要求連續(xù)影像之間的重疊部分應(yīng)該超過60%，物體的同一部分的不同拍攝點(diǎn)間的分隔應(yīng)該小于15度。
（10）規(guī)劃航線拍攝時，建議采集航向重疊度75%以上，旁向重疊度不小于70%的影像。
為實(shí)現(xiàn)更好的效果，更好的還原建筑，建議同時采集垂直和傾斜影像。
并同時用小無人機(jī)低空采集高空相機(jī)拍不到的死角。
（11）盡量選擇高分辨率的單反相機(jī)，建議2000萬像素以上。
避免使用廣角魚眼鏡頭。
更好 是選擇定焦鏡頭，如果使用變焦鏡頭，請將該鏡頭焦距設(shè)置成更大 或最小值。
（12）將相機(jī)調(diào)整為更大 分辨率模式；
ISO值盡量低，否則高ISO會產(chǎn)生噪點(diǎn)；
光圈值足夠高（光圈越小越好），以產(chǎn)生足夠的景深，背景不要太模糊；
快門速度不應(yīng)該過慢，否則輕微的動作會造成圖像模糊。
（13）避免選擇高反光、透明的物體，例如玻璃瓶，鏡面等。
如果容易反光的物體，更好 使用柔光燈或在陰天下拍攝，盡可能沒有亮點(diǎn)。
（14）避免選擇有兩面 對稱的物體（形狀和紋理都對稱），例如單色立方體或有對應(yīng)面一樣紋理的立方體。
（15）避免有移動的物體在場景中，要保證被拍攝的背景環(huán)境是不變的。
（16）避免 平坦的物體，例如平口盤子等。
避免
