无人机航拍测量技术可行性方法研究

无人机航拍测量技术可行性方法研究

樊硕

32023部队，辽宁大连，116600

摘要：常用无人机摄影测量技术，是通过正射与倾斜摄影方法，获取被摄物体几何与物理信息，通过图像特征匹配方法实现地理空间二维或三维重建。将无人机航拍的视频流和相关元数据合成后，可实现对FMV视频数据进行地理空间分析，在弱纹理、弱光场景下，对监控遥远、危险位置能发挥着重要作用。本文通过具体实验分析，对FMV视频中目标物进行量测，进而研究利用全动态视频分析功能实现目标物量测的精度及可行性。

关键词：无人机；摄影测量；航拍；FMV

1航拍测量技术发展现状

近几年，GIS商业软件公司和开源社区已经开始研究开发用于FMV数据处理和分析GIS工具。因此，使用无人机捕获标准数字视频格式转化为FMV格式已成现实。这一趋势的出现，有利于促进地理信息系统和遥感数据分析能力的转变，有可能产生更现实、更动态和更多功能的GIS工具。利用航拍视频转化成FMV，不仅可以直接获取丰富的动态视频信息，还可在短时间内根据视频信息提供现场直观的可量测视频场景，可满足应急救灾、远程监测对第一手资料的迫切需求。

2航拍测量技术分析

航拍测量技术使用的是无人机POS信息对视频进行快速定位，并不像传统航测一样依赖多张航片中叠加区域的特征点识别，因此对拍摄区域的光线强度、纹理特征没有要求。虽然这种方法的测绘精度低于传统航测，但可作为传统航测手段的有力补充。FMV也被称为全动态视频，最初是一种军事技术，现在已经应用于商业无人机系统。它有很多优势，尤其是在提供其他渠道无法获得的关键信息方面。它为图像分析增加了第四维，可以直接在地图上查看视频足迹，提供极佳的事件保真度。

3外业数据采集流程

此次研究使用Site Scan for ArcGIS软件，创建工程项目后，根据具体航拍项目选择对应的飞行任务规划。在本次实验中，采用面积调查功能，选择“面积测量”建立飞行任务，在航线设置界面绘制飞行区域范围，软件会自动生成飞行航线，如图1所示。为减少后期视频测量误差，实验需采用仿地飞行模式。

图1 新建仿地飞行任务

在飞机飞行视频采集过程中，大地的起伏是不可避免的，地面波动会使视频采集地面采样距离不一致。利用类地飞行模式，建立了一种能够自动适应地形起伏的飞行计划。随时调整飞行路径高度，保证不同地形条件下采样距离相同。否则将严重影响后续视频测量的准确性。在地形变化较大的地区，可以避开一些障碍物或山脉，既保证了飞机的安全，又能按时完成飞行计划。

飞行任务执行完成后，先检查航拍视频质量，并查看是否生成空间日志文件。查看航拍视频是否完全覆盖测区范围，视频中地物是否清晰可见等等，如有问题需要及时更正并重新采集航拍视频数据。检查无误后，导出无人机拍摄的视频与对应的视频空间日志文件。

4内业数据处理流程

4.1 FMV的合成

使用ArcGIS Pro的动态视频影像处理工具，合成符合FMV标准的视频文件。

4.2 全动态视频测量

运用FMV测量工具，进行距离测量，面积测量和高度测量。实验采用的视频测量关键帧选取方法为：

（1）对于同一物体，尽量使测量的物体保持在视频中央位置。

（2）在无人机航拍视频中，尽量选取飞行稳定、无阴影、测量点清晰的视频帧。

（3）理论上来说，相邻的帧之间元数据差别较小，将所选取的帧与前后帧元数据大小比对，如果差别过大，应重新选取。

5航拍与航摄测量的对比分析

实验选取一些明显地物和建筑用于测量精度的对比分析，如楼房、车位线、斑马线、花坛，并且是有代表性的地貌点。实验分别进行距离测量15处，面积测量10处，高度测量5处。

5.1 距离测量精度分析

根据实验区域地形情况，选取均匀分布在测区的地物进行距离测量，用于RTK测量地物坐标并计算出平面距离，标记编号J1到J15，尽量选取在视野开阔且明显标记处，方便视频测量。

通过距离测量误差统计结果，能够清晰地反映出FMV平面距离测量结果和无人机航空摄影测量生产的三维模型测量误差范围及分布情况。其中FMV距离测量误差最大的是J10号点，误差值为0.110m，误差最小的为J11号点，误差值为0.060。而三维模型距离测量精度要高于FMV距离测量精度，误差最大的是J6号点，误差值为0.051m，误差最小的为J14号点，误差值为0.018m。

5.2 面积测量精度分析

根据视频拍摄内容选取无遮盖的地区进行面积测量。主要包括水池、楼房占地面积、消防线、花圃等共计10处。同样采用于RTK测量地物坐标并计算出平面面积，标记编号M1到M10。

依据FMV和三维模型的面积测量误差统计结果，此次测量10个区域的平均面积为105.262m2，测量面积与误差值大小成正比，测量面积越大，则误差值越大。FMV视频测量误差50%分布在0.8~1.6m2，而三维模型平面测量误差大部分分布在0.8m2以下，并且无人机倾斜摄影测量生产的三维模型面积测量精度大约是FMV面积测量精度的两倍。

5.3 高度测量精度分析

主要集中在测区中央，内业测量较为方便，测量的高度为建筑物各楼层到地面的垂直距离。采用全站仪无棱镜模式测量建筑物的高度，与视频测量方法和三维模型测量的方法进行对比分析，标记编号为H1到H10。

通过分析可以了解到两种测量方式的测量误差与距离测量误差大小相近。本次实验测量的平均高度为4.61m，FMV高度测量误差平均为0.081m，三维模型高度测量误差平均为0.032m。在高度测量精度方面无人机倾斜摄影测量的精度要高于FMV的测量精度。

通过小范围距离测量、面积测量和高度测量的精度对比分析，研究结果表明：无人机航空摄影测量生产三维模型的精度是FMV测量精度的2~3倍，在一些对精度要求较高的工程项目中，选取无人机航空摄影测量方式更加合适。但从时间成本角度上来看，完成实景三维建模的整个任务需要3-4天的处理时间，而航拍测量仅需1天时间，即可完成全部数据处理，适用于应急情况下的测量任务。

6问题和展望

本文仅以小范围的区域进行实验研究，所以上述结论在大范围测图和地形复杂区域是否同样适用，还有待进一步的研究和实验。其次，本文在无人机航拍测量可行性方法研究中取得了一定的成果和进展，但是由于作者水平有限以及时间的原因，还存在很多不足，主要包括：

（1）在无人机航拍测量过程中，本文只使用了ArcGIS Pro软件合成全动态视频及其测量工具，应该采用不同软件处理航拍视频，取最优者，而且对于无人机航拍视频测量的方法还有待进一步的探究；

（2）在航拍视频采集中，本次项目由于条件限制仅采用了大疆Phantom 4 Advanced无人机，其定位精度有限，捕获的姿态数据精度不高；

（3）受条件限制，无人机航拍数据采集过程中使用的是非专业量测相机，拍摄的视频会存在镜头畸变，在内业动态视频测量过程中加大测量误差。

参考文献

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