无人机在获取高精度DEM数据中高度设计的研究

摘 要：随着技术的发展，无人机被广泛应用在各行各业。尤其是近些年来兴起的基于运动重建 （ＳＦＭ）的无人机摄影测量技术，被广泛的应用在地质图制作，滑坡、冲沟等地质灾害调查方面，都 取得了良好的成果。取得高分辨的 ＤＥＭ（Ｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｖａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ）数据是应用的前提。对利用无人 机获取高精度 ＤＥＭ数据时，如何设计飞行高度进行了研究讨论。 关键词：无人机；高精度 ＤＥＭ；高度设计；参数
化，高度是会不断变化的。
２ 试验材料方法
２．１ 航测系统的介绍 一个无人机测量系统一般包括飞控、机架、动力
系统、遥控器、相机、地面站，除此之外无人机飞行器 可以搭载多种传感器来采集数据。
该研究区域的航空勘测使用了大疆精灵 ３ｓ，一 种消费级 的 四 旋 翼 无 人 机。相 机 具 体 参 数 详 见 表 １。
表 １ 相机具体参数
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中 国 锰 业
第 ３６卷
２．２ 高度设计试验
在遥感中，地面分辨率（ＧＳＤ）反应了影像能有
差别地区分开两个相邻地物的最小距离的能力。飞
行高度等参数和 ＧＳＤ之间存在着一定的关系。为
了获得满足研究所需要的高分辨率 ＤＥＭ数据，在飞
行前了解 ＧＳＤ的计算有助于我们在飞行前合理设
计飞行高度。
ＧＳＤ＝
中图分类号：Ｐ２３１ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．１４１０１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１００２－４３３６．２０１８．０４．０５１
０ 前 言
随着计算机以及遥感技术的发展，越来越多的 人追求高精度的 ＤＥＭ数据以获得丰富而精确的信 息，从而便于地质灾害的研究与监控。如雷达技术， 卫星影像，三维激光扫描仪，固定翼无人机航测等技 术的应用［１３］，这 些 技 术 被 广 泛 的 用 在 大 规 模 的 野 外地质调查中，虽然能获得了较高分辨率的 ＤＥＭ数 据，但是这些技术的共同特点就是花费较大，时间周 期较长。而且对于小规模的地质灾害调查，在其局 部微小地质特征的识别方面，计算机的自动识别算 法尚不能满要求，这时就需要人的视觉判，上述方法 所获得的 ＤＥＭ数据基本不能满足要求。多旋翼无 人机在小区域的地质调查中，有迅速、高效、高精度、 低成本的优点。中国是个地质灾害多发的国家［４］。 特别是近几年来随着城市化进程的加快，人类活动 增强，水电工程兴建引起了一系列的地质灾害，如滑 坡、泥石流、冲沟侵蚀等，对人民群众的生命和财产 安全构成严重威胁。一种快速的地质灾害调查、监 控方法或者是手段是必要的，无人机航测技术在这 方面表现出了优良的性能和极大的优势，针对区域 小规模地质灾害可以快速的获取地面数据，以做研 究和应对措施。如无人机在滑坡、山崩、冲沟侵蚀等 方面的应用表现出了极大的优势。那么如何通过合 的飞行高度设计以及正确的操作使无人机能够快 速、高效地获取高精度 ＤＥＭ数据是亟待解决的。
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图 １ 试验区域的正射影像和 ＤＥＭ
由式（４）以及 ｋ值可以得到： ＧＳＤ＝ｋ×Ｈ ＝３．２８１１６３×１０４ ×２５．１＝
０．００８２３ｍ＝８．２３ｍｍ
而实际 ＧＳＤ值为 ９．７８ｍｍ，有一定的差距。分
析可知高度不是很合适，因为设计的飞地表的起伏变
ｍｍ
参数 数值
焦距 传感器宽 传感器长 照片高 ３．６１０ ４．７３８ ６．３１７ ３０００
照片宽 ４０００
收稿日期：２０１８－０５－０３ 基金项目：滑坡规模与植被根系间的规律关系（２０１８１０７３０１２９） 作者简介：张国明（１９９６－），男，河北张北县人，研究方向：地质工程，手机：１８１４３７６０９７８，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｇｍ１５＠ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
影响无人机数据据精度的因素是多方面的［５］。 如飞行高度、照片重叠度、镜头参数、光照因素、后期 航片处理、以及操作者的熟练度。本文主要有两个 研究目标：第 １个是如何根据目标 ＤＥＭ数据分辨率 进行合理的飞行高度设计。第 ２个是完成 ＤＥＭ 数 据应用可靠性的评价。
１ 研究区域
为了探究无人机测量精度以及飞行高度对数据 精度的影响，经过调研我们选择校园广场的一个小 区域作为实验区域。该区域台阶的数量较多，且单 个台阶高在 ４０ｃｍ左右，尺度较小，剖面突变频繁且 较规律，外形变化较大。利用 ＤＥＭ数据获取较为精 确的台阶剖面图对其精度有着较高的要求。
Ｈ Ｆ
×μ
（１）
μ＝ＳＷｗ
（２）
ＧＳＤ＝Ｈ ×Ｗ Ｆ Ｓｗ
（３）
式中，ＧＳＤ为 地 面 分 辨 率，ｍ；μ为 像 素 尺 寸，
ｍｍ；Ｗ是传感器的宽度，ｍｍ；Ｓｗ 是每张航片宽度上 的像素数；Ｈ是飞行高度，ｍ；Ｆ是焦距，ｍｍ。
在镜头 传 感 器 固 定 的 情 况 下，由 式 （３）可 知
ＳｗＷ×Ｆ是个常数，我们可以设为 ｋ，即 ｋ＝ＳｗＷ×Ｆ。那 么可以得到：
于该问题我们在其他参数设计合理的情况下，飞行
高度为 ２５．１ｍ的条件下对实验区域展开了航测。
为了节省时间成本航片格式采用 ＧＰＥＧ的格式，先
人的研究已经证明 ＪＰＥＧ压缩对 ＤＥＭ 的精度几乎
没有影响。
飞行结束获得航片后，经过后期数据处理，我们
获得了试验区域的正射影像和 ＤＥＭ展示图（图 １）。
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第 ３６卷第 ４期
中 国 锰 业
２０１８年 ８月
ＣＨＩＮＡ′ＳＭＡＮＧＡＮＥＳＥＩＮＤＵＳＴＲＹ
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１８
无人机在获取高精度 ＤＥＭ数据中高度设计的研究
张国明１，田行宜２，王盈莹１，廖雪言１，白洪阳１，辛 星１
（１．兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 ７３００００；２．兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 ７３００００）
ＧＳＤ＝ｋ×Ｈ
（４）
代入具体参数，我们可以得到无人机大疆精灵
３ｓ下的 ｋ值：ｋ＝３．２８１１６３×１０４。
该理论式是基于单张航片得出的，而 ＤＥＭ数据
是由多张有着一定重合度的航片基于计算机的自动
识别算法组合而的。那么此时理论公式是否适合
ＤＥＭ分辨率的计算，也就是能否在飞行高度的设计
上提供一定的参考价值，这时需要必要的试验。基