影響無人機精準製圖的重要因素

無人機的出現可以說對我們生活中的許多領域進行了一場革命，然而影響最大的可能要屬測繪領域。這些小型的飛行器可以在任何區域只需要幾分鐘或者幾小時就能夠將區域圖給繪製完成，與傳統的人工繪製相比大大提升了作業效率。此外，即便是非專業人士，通過使用一些專業設備或者如DJI（大疆）Phantom或DJI Mavic Pro這類型的無人機也可以完成攝影測量或3D建模等任務。但是這個「準確性」究竟是什麼呢，如何定義又如何測量和驗證呢？如果您所在的行業是航空測繪行業，那麼目前這些問題都是急需解決的，而精準作業則是該行業的代名詞。如果不能精準而完美的解決這個問題,那麼你最終所提供給你的客戶只不過是一張從上面拍攝的一幅美麗的圖畫罷了。

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測量精度與像素大小

在測繪領域中，最重要的參數之一則是空間解析度，在攝影測量術中將其描述為GSD（地面採樣距離）。在文獻中，它被定義為在地面上測量的兩個連續像素中心之間的距離。然而，在實際上它只是現場像素的大小而已。

GSD取決於相機的參數（主要是攝像機解析度和焦距）和飛行高度。例如，要使用像DJI Mavic Pro這樣的無人機實現1厘米（3英寸）的像素大小，您需要在25米的高度飛行。使用PrecisionHawk的蘭開斯特或Sensfly eBee等專業設備，您可以在40-60米的範圍內獲得1厘米的GSD。

但是，如果您設法想去完成一段像素大小為1 cm2（0.16 in2）的航線，那就意味著您的整體測繪的準確性（或更確切地說，您的調查的輸出：Orthophotomap，Digital Surface模型或3D點雲）也是要精確到1厘米。

在攝影測量中，精度始終相對於位置精度，其定義為從捕獲的數據創建的地圖上的信息與實際現實世界匹配的程度。

相對和絕對精度

這是事情開始變得有趣，以及更複雜的地方。使用像Pix4D，AgiSoft或PrecisionMapper這樣的軟體生成準確的攝影測量模型是一回事。但是將其準確地擬合到大地測量坐標系中是完全不同的一個概念。

無人機配備了GPS單元，可以將圖像適當地拼接在一起並生成3D模型。然而，這種設備通常不足以將所述模型準確地置於厘米級準確度上。

為了更好地理解這一點,你可以測量兩點之間的距離在你重建模型並尋找值非常接近值測量。但仔細檢查將顯示點本身可能距離地球上真實位置相差1米！

這就是為什麼在空中測量,精度在解釋在兩個方面:相對和絕對的。 相對精度的測量對象是如何定位相對於彼此在重建模型(正射影像地圖、數字錶面模型或三維點雲)。 絕對精度指的是區別對象的位置重建模型及其在地球上真正的位置(或大地坐標系統)。

對於大多數小範圍和簡單的用例,相對模型將會工作的很好。 它會讓你測量距離,體積和高度差異和做的操作,比如應用植被指數數據。 然而,如果您需要創建一個專業的攝影測量調查文檔,或把你的數據和其他數據層(例如GIS矢量數據)或做任何操作大地與地理坐標參考系統,您將需要執行所謂的絕對定向的重建模型使用地面控制點或質量。

GCP是地面上的坐標是已知的視覺標記。它們有助於提高無人機測量的準確性，並允許您將模型適合大地坐標系。這些點必須由使用專業設備的土地測量師（如RTK GPS或全站儀）進行測量。

什麼影響測量精度？

絕對精度達到相對精度的程度由攝影測量過程的總體質量和地面控制點的精度決定。

您的調查的絕對準確性不能高於GCP的準確性。因此，重要的是確保以高於像素大小的精度測量點（例如，如果您的像素大小為1厘米，GCP應以亞厘米精度進行最佳測量）。

絕對精度也將顯著取決於您的型號的相對精度。當您使用小型（最常用的非公制）無人機相機拍攝數以千計的圖像時，幾乎不可能將地圖上的每個像素確切地放在哪裡。

此外，還有很多因素會影響您的調查的整體質量和準確性。我們即將發布有關這些因素的專題文章，但包括地形，無人機硬體選擇，圖像重疊，天氣條件，穩定性和飛行速度以及GPS條件等參數。

在無人機攝影測量精度可以達到什麼程度？

當涉及到相對精度時，文獻稱您可以預期水平和垂直的正確重建模型的像素大小的1-3倍的誤差。這意味著對於2厘米的GSD，應該能夠在2-6厘米的範圍內實現精度。 但是，您必須記住，此錯誤並不全局。在具有不規則高度的地形或沒有特徵物體的地形中，識別連接點變得難以產生馬賽克（例如森林，沙漠和水）的地形可能更大。

絕對準確，文獻報道，對於正確重建的模型，您可以預期水平1-2 GSD和1-3 GSD的垂直誤差。

在2015年由P. Barry和R. Coakley發表的一篇論文中，無人機攝影測量的準確性與網路RTK GPS相比，我們發現了完全相同的結論。研究人員選擇了一個2公頃的地盤，並將無人機飛過，目標是1厘米GSD，前後重疊80％。他們在現場放置了10個地面控制點和45個附加檢查點，並使用毫米波精度的RTK GPS進行了測量。研究人員在執行飛行和處理數據后，測量了正射影像/ DEM與使用RTK GPS測量的45個檢查點的坐標之間的誤差。

在45個檢查點和1cm的地面採樣距離之間實現的精度很高。平均誤差和均方根誤差（RSME）在XY中為GSD的2倍，Z軸為GSD的3倍。

最後，研究人員使用了地理空間定位精度標準方法，第3部分：國家空間數據準確度標準，並將結果應用於95％置信水平（平均為1.7308 x RMSEr，垂直度為1.9600 x RMSEz），並得出最終準確度水平41mm，垂直68mm。

你如何知道無人機調查是準確的？

困難在於，準確的正射影像，DEM或3D模型經常看起來與不精確的相似。如果您有良好的GPS條件，穩定的飛行和體面的天氣條件，除了具有許多特徵點（可用於匹配圖像）的正常地形以及正確的圖像重疊之外，該模型應該是相當準確的，但唯一的確定方法是計算與上述類似的錯誤研究。

一個很好的做法是在地面控制點之外測量現場的幾個檢查點。檢查點將允許您使用常規測量計算方法計算模型的準確性。

如果您在現場進行了任何測量，但您仍然可以通過測量特徵點之間的距離（例如牆壁長度，兩個建築物之間的距離等）來計算精度。您可以使用$ 50 - 150毫米激光距離感測器，距離可達100米，精度為1mm。我們將在單獨的文章中詳細說明計算方法。

為什麼需要精確的測量數據？

任何調查的準確性要求取決於其最終應用和用例。在許多情況下，30厘米（1英尺）將足夠，而在其他項目2厘米是最大可接受的錯誤。

根據USGS全球導航衛星系統委員會的統計，對項目的準確性要求進行匹配，選擇正確的設備是測量師的全權責任。調查準確性標準由美國各州的地方機構以及世界上大多數國家的地方機構確定，但條例或多或少相似。在美國，航空測繪數據的主要標準化機構是美國攝影測量和遙感學會（ASPRS），並且是2014年發布的關於數字地理空間數據的定位精度標準的關鍵文件。

你必須記住，雖然決議和準確性不應低於要求，但也不應該更高。1 km²和1厘米解析度的調查生成了140 GB以上的原始數據，需要處理，存儲和傳送給客戶端。2厘米的解析度創建了4倍的數據（高達33 GB），並且需要4倍的處理和存儲資源。因此，從經濟的角度來看，了解需求並不是過高的解析度和準確度是至關重要的。