無(wú)人機(jī)在工程測(cè)量中的應(yīng)用★

范天雨 董 浩 田振興 王 博

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

?

·測(cè)量·

無(wú)人機(jī)在工程測(cè)量中的應(yīng)用★

范天雨 董 浩 田振興 王 博*

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

介紹了無(wú)人機(jī)UX5的系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)參數(shù)，在闡述固定翼無(wú)人機(jī)Trimble UX5外業(yè)作業(yè)流程和UAS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程的基礎(chǔ)上，將UX5無(wú)人機(jī)應(yīng)用在某實(shí)際工程測(cè)量中，可快速有效地進(jìn)行地形測(cè)量、三維建模、施工圖繪制等工作。

無(wú)人機(jī)，工程測(cè)量，外業(yè)航攝，內(nèi)業(yè)處理

0 引言

無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一種機(jī)上無(wú)人駕駛的航空器，其具有動(dòng)力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無(wú)線電控設(shè)備或計(jì)算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行[1]。無(wú)人機(jī)作為空中遙感平臺(tái)的微型遙感技術(shù)，其特點(diǎn)是：以無(wú)人機(jī)為空中平臺(tái)，遙感傳感器獲取信息，用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具備云下作業(yè)、高現(xiàn)勢(shì)性、小范圍、高清晰、大比例尺、小型輕便、高效機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，而且無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、應(yīng)急救災(zāi)、突發(fā)事件處置、巡查監(jiān)管、影視制作等領(lǐng)域[2]。本文以Trimble UX5固定翼無(wú)人機(jī)在河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院航測(cè)試驗(yàn)為例，分析該技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)UX5系統(tǒng)組成及參數(shù)

UX5是一種用于航測(cè)的無(wú)人駕駛飛機(jī)，硬件系統(tǒng)包括飛行平臺(tái)和地面站，如圖1所示，具體組成有：機(jī)身、彈射架、控制盒(eBOX)、相機(jī)和地面控制軟件。UX5無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)遵循預(yù)編程起飛、飛行和人工干預(yù)最小路徑降落。

UX5無(wú)人航測(cè)系統(tǒng)包含一個(gè)專業(yè)航攝相機(jī)，在航攝區(qū)域飛行作業(yè)時(shí)，相機(jī)會(huì)按照指定的重疊度和高度進(jìn)行曝光拍攝，與此同時(shí)，飛控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄此時(shí)的位置和姿態(tài)等logs數(shù)據(jù)[3]。UX5參數(shù)如表1所示。

2 操作步驟

UX5的操作流程大致分為三個(gè)部分：前期任務(wù)規(guī)劃、外業(yè)航攝以及內(nèi)業(yè)影像處理。

2.1 前期任務(wù)規(guī)劃

1)制定任務(wù)計(jì)劃。UX5無(wú)人機(jī)航測(cè)飛行需要接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行衛(wèi)星定位航道，因網(wǎng)絡(luò)信號(hào)有限制，所以需提前下載離線地圖，制定任務(wù)計(jì)劃，以便節(jié)省外業(yè)航測(cè)時(shí)的工作時(shí)間。

在Google Earth中選定需要測(cè)量的大概區(qū)域，并將其保存為kml格式的文件。之后打開Aerial Imaging軟件，建立新項(xiàng)目，將之前保存的kml格式文件導(dǎo)入到新建的項(xiàng)目中，下載所選區(qū)域的離線地圖，將其導(dǎo)出為gwt格式文件作為任務(wù)計(jì)劃文件。

表1 UX5參數(shù)

2)相控點(diǎn)布設(shè)。UX5采用單點(diǎn)定位方式，利用相控點(diǎn)可以將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成我們所需要的地方坐標(biāo)系。每一個(gè)架次至少需要布設(shè)5個(gè)相控點(diǎn)，并且相控點(diǎn)要均勻分布在整個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)，遇到森林、山區(qū)等地形變化的地方要加大相控點(diǎn)布設(shè)，盡量布設(shè)在高處及低處，若標(biāo)靶布置不合理，最后拼接結(jié)果會(huì)出現(xiàn)撓曲現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

2.2 外業(yè)航攝

1)制定飛行計(jì)劃。飛行計(jì)劃的制定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形條件，首先需精確本架次飛行測(cè)量區(qū)域，設(shè)置風(fēng)向，選定起飛點(diǎn)、降落點(diǎn)，并進(jìn)行航線規(guī)劃。航線規(guī)劃就是根據(jù)航攝相機(jī)參數(shù)、航高、航攝比例尺、航攝區(qū)域等信息，按照航向重疊度80%，旁向重疊度80%，以便保證出圖或者測(cè)繪需要，來(lái)設(shè)計(jì)飛機(jī)飛行路線。

2)飛行作業(yè)。進(jìn)行飛機(jī)機(jī)體的拼裝以及彈射架的安裝，將設(shè)置好的具體的飛行信息導(dǎo)入eBOX中，彈射起飛。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是航測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，在無(wú)人機(jī)航拍時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)的操控、跟蹤定位以及信息傳輸，遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)操控?zé)o人機(jī)和實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行信息，包括飛行時(shí)間、飛機(jī)位置經(jīng)緯度、飛行高度、飛行速度(對(duì)地速度和對(duì)空速度)、飛行姿態(tài)、飛行進(jìn)度、已拍攝照片數(shù)量、連接衛(wèi)星顆數(shù)和電池電量等。

無(wú)人機(jī)起飛后進(jìn)入啟動(dòng)巡航模式，按照之前設(shè)置的航線飛行，操控人員應(yīng)時(shí)刻注意飛機(jī)的飛行狀態(tài)信息，觀察手應(yīng)注意觀察飛機(jī)周邊情況，若飛行狀態(tài)出現(xiàn)異?；蝻w機(jī)周圍出現(xiàn)其他飛行器，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。

結(jié)束航行后，飛機(jī)將按照預(yù)定線路飛行到距離降落點(diǎn)300 m上空75 m處以100 m為半徑盤旋，查看降落區(qū)域無(wú)異常情況時(shí)，可確認(rèn)降落，飛機(jī)采用逆轉(zhuǎn)螺旋翼減速降落，降落后檢查無(wú)人機(jī)以及其狀態(tài)信息并收回。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

飛行任務(wù)結(jié)束后，從飛控系統(tǒng)(eBOX)中導(dǎo)出飛行記錄數(shù)據(jù)文件，位置與姿態(tài)系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)信息是最重要的信息，包含每張照片的拍攝時(shí)刻的位置(X，Y，Z)、航向傾角(Phi)、旁向傾角(Omega)、像片旋角(Kappa)等信息[4]。對(duì)測(cè)量的像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行整理，像控點(diǎn)按T1(x，y，z),T2(x，y，z)，…，Tn(x，y，z)排列，保存為csv格式的文件。

2)數(shù)據(jù)解算。

a.項(xiàng)目建立。打開UAS Applications Master軟件，新建項(xiàng)目，選擇圖像坐標(biāo)系，默認(rèn)為WGS84系統(tǒng)下的經(jīng)緯度，編輯攝影機(jī)ID，并根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)修改軟件的參數(shù)信息，以達(dá)到最優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。

b.航帶生成。導(dǎo)入航拍影像數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入影像的POS數(shù)據(jù)，使所有航拍影像都匹配到其位置信息，然后在“分組”中生成航帶并保存。人工判斷航帶是否正確，如果不正確需要重新進(jìn)行航帶整理，直至航帶排列正確。

c.加入像控點(diǎn)。在UAS項(xiàng)目編輯器打開“點(diǎn)”，導(dǎo)入之前保存csv文件，選擇控制點(diǎn)坐標(biāo)系，尋找測(cè)區(qū)合適的坐標(biāo)系。之后導(dǎo)入外業(yè)完成布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且在“平面編輯器”中標(biāo)記像控點(diǎn)所在的航片。

d.數(shù)據(jù)處理。像控點(diǎn)導(dǎo)入后，在UAS Applications Master(DEMO mode)中點(diǎn)擊“地理參照”，進(jìn)行UAS測(cè)量，從照片中提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)每一張航拍照片進(jìn)行精確定位，將相同位置的點(diǎn)進(jìn)行匹配連接。最后進(jìn)行空三計(jì)算，對(duì)所有連接點(diǎn)進(jìn)行平差和校準(zhǔn)。

3)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

UAS Applications Master可導(dǎo)出多種類型的數(shù)據(jù)，以滿足不同任務(wù)的需求，例如未畸變影像、三維網(wǎng)格紋理、加密點(diǎn)云、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正攝影像圖(DOM)、等高線、谷歌地圖瓦片數(shù)據(jù)等[5]。

在UAS中對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行濾波，可減少由于地面植被影響對(duì)地面高程測(cè)量存在誤差，增加地形測(cè)量精度。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

本次航測(cè)區(qū)域?yàn)楹幽辖煌殬I(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)，該校區(qū)位于鄭州市中牟縣鄭開大道龍陽(yáng)路，占地面積883畝，校舍建筑面積34萬(wàn) m2。

3.2 外業(yè)航攝

在進(jìn)行航飛之前，首先進(jìn)行任務(wù)計(jì)劃制定：在Google Earth中選定航測(cè)區(qū)域，制定任務(wù)計(jì)劃文件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，在校園西側(cè)選擇起飛、降落點(diǎn)；像控點(diǎn)每隔200 m布置一個(gè)，總共布置9個(gè)標(biāo)靶；巡航高度為150 m，地面分辨率為3.9 cm。本次巡航飛行12條航帶用時(shí)15 min，共拍攝348張照片，航攝區(qū)域面積0.456 2 km2。像控點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。

3.3 內(nèi)業(yè)處理

飛行結(jié)束后，從手部中導(dǎo)出飛行數(shù)據(jù)，導(dǎo)出為csv格式，并將相機(jī)中的照片與飛行數(shù)據(jù)放置在同一個(gè)文件夾中。在Excel中輸入坐標(biāo)序號(hào)和坐標(biāo)值，另存為csv格式文件。

表2 像控點(diǎn)坐標(biāo) m

打開UAS Master新建項(xiàng)目，在投影坐標(biāo)系中選擇WGS84，然后設(shè)定相機(jī)參數(shù)(攝像機(jī)ID設(shè)為1，傳感器類型選擇CCD寬幅，品牌選擇Trimble UX5 A5100)。導(dǎo)入影像文件，生成航條，導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)(之前建立的csv文件)，然后進(jìn)行地理參照，提取特征點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)字化控制測(cè)量并刺點(diǎn)，經(jīng)平差和校準(zhǔn)后生成正攝影像[6]圖(如圖2所示)、三角網(wǎng)格模型圖(如圖3所示)及等高線圖。

在正攝影像圖中可以進(jìn)行長(zhǎng)度、面積、高程等的測(cè)量，等高線圖可使測(cè)量及繪圖更加方便，在三角網(wǎng)格模型可進(jìn)行體積測(cè)量。正攝影像圖、三角網(wǎng)格模型、等高線圖還可導(dǎo)入其他軟件中，例如AutoCAD，Global Mapper，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理工作[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，在航測(cè)領(lǐng)域更是擁有傳統(tǒng)測(cè)量所不具有的優(yōu)勢(shì)。小型航測(cè)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，飛行靈活，運(yùn)行成本低，影像分辨率高，且可以通過(guò)濾波功能對(duì)測(cè)量區(qū)域多林多草地帶進(jìn)行濾波，減少測(cè)量誤差。特別是對(duì)于水利工程，大多位于山區(qū)，林草茂盛，無(wú)人機(jī)測(cè)量可大幅度提高測(cè)量效率。

在工程的設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中，利用無(wú)人機(jī)和各種數(shù)據(jù)處理軟件，可以有效快速地進(jìn)行地形測(cè)量、三維模型建立、施工圖繪制等工作。未來(lái)測(cè)繪生產(chǎn)將會(huì)逐漸以三維模型為主，相比平面圖使用起來(lái)更加直觀方便。無(wú)人機(jī)也將在此過(guò)程中扮演著重要角色。

[1] Adam C,Vincent G,Everett A.Unmanned Aircraft Systems in Remote Sensing and Scientific Research：Classification and Considerations of Use[J].Remote sensing，2012(4)：1671-1692.

[2] 胡 博,呂 鐸,李志斌,等.三維全景信息技術(shù)輔助房屋拆遷管理的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪地理信息,2017，42(1)：88-90.

[3] 魯 恒,李永樹,何 敬,等.無(wú)人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取與處理[J].測(cè)繪工程,2011，20(1)：51-54.

[4] 董 培,石繁槐.基于小型無(wú)人機(jī)航拍圖像的道路檢測(cè)方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2015，41(12)：36-39.

[5] 崔恒賓.數(shù)字地面模型原始數(shù)據(jù)采集方法與精度研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[6] 云 超,李小民,鄭宗貴,等.中小型無(wú)人機(jī)建模分析與仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013，30(11)：32-35.

[7] 薛永安,王曉麗,張明媚,等.無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)快速測(cè)繪礦區(qū)大比例尺地形圖[J].測(cè)繪地理信息，2013，38(2)：46-48.

On application of unmanned aircraft in engineering measurement★

Fan Tianyu Dong Hao Tian Zhenxing Wang Bo*

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The paper introduces the UX5 system components and design parameter of the unmanned aircraft, applies UX5 unmanned aircraft in the engineering measurement based on the indication of the unmanned aircraft of fixed wing and Trimble UX5 outdoor procedure and its application in the UAS data treatment, so as to have the efficient work in the topographic measurement, three-dimension model establishment and construction mapping.

unmanned aircraft, engineering measurement, outdoor aerial photography, indoor processing

1009-6825(2017)11-0202-03

2017-02-08★:河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃(17B570003)

范天雨(1992- )，男，在讀碩士

王 博(1987- )，男，博士，講師

TU198

A