無人機航攝與實景建模技術(shù)在工程中的應(yīng)用研究

樊軍　片笑

摘要：行業(yè)的發(fā)展促進技術(shù)的進步，技術(shù)的進步又不斷革新行業(yè)的生產(chǎn)方式。無人機技術(shù)的發(fā)展及民業(yè)應(yīng)用化，使得工程建設(shè)中，地理數(shù)據(jù)的采集越來越快速、高效，多維度、全方位的信息采集模式也促進了在高精度的基礎(chǔ)上多樣化的數(shù)據(jù)成果形式。本文針對當前民用小型無人機所開展的攝影測量及其數(shù)據(jù)成果的工程應(yīng)用，從航線設(shè)計、鏡頭選擇、質(zhì)量控制、像控測量及影像攝影測量處理等方面結(jié)合常見的幾類工程外業(yè)實際進行了方案闡述，分析了各類型項目特點，綜合數(shù)據(jù)質(zhì)量和作業(yè)效率等關(guān)鍵因素提出了建議。

關(guān)鍵詞：元人機；實景建模；方案設(shè)計

引言：現(xiàn)代社會中，遙感技術(shù)已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的必備高科技手段，而隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，其成為了遙感技術(shù)的有效補充，小型無人機不僅在飛控軟件、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，其還具備體型小攜帶便捷、作業(yè)機動、高分辨率影像、高密度測量數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，具備數(shù)據(jù)質(zhì)量和作業(yè)效率兩重重要因素，也由此成為近幾年新興的工程建設(shè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的優(yōu)選手段。

無人機技術(shù)優(yōu)化所帶動的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的提高，另一方面也為數(shù)據(jù)成果的多樣化提供了可能，現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展也使得計算機得以提供強大的運算能力等的支持，在這樣的條件下，基于計算機視覺算法和計算機幾何算法的實景建模技術(shù)實現(xiàn)了無人機數(shù)據(jù)的三維信息化，這是工程領(lǐng)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從形式到內(nèi)容的革新，也為更優(yōu)質(zhì)的工程建設(shè)提供了扎實的基礎(chǔ)。

隨著無人機及實景建模技術(shù)的成熟和工業(yè)化應(yīng)用，在測繪地理信息、BIM應(yīng)用、水利電力工程建設(shè)、鐵路、公路帶狀選線工程等諸多領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用。技術(shù)的進步往往等價于解放生產(chǎn)力，本文根據(jù)對幾種主流小型無人機的作業(yè)特點、主要參數(shù)、技術(shù)規(guī)格等的實踐總結(jié)，結(jié)合具體工程實際的側(cè)重點，做出了針對性的方案建議，在很大程度上實現(xiàn)了作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率的最優(yōu)結(jié)合，使得技術(shù)更好的落腳于工程實踐。

1無人機、實景建模技術(shù)介紹

1.1無人機技術(shù)

無人機（unmarmedaerialvehicle，UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計算機預(yù)編程序自主控制飛行。無人機的技術(shù)組成包括無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、Dos定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等。

本文所提到幾種無人機，主要針對常見的工程建設(shè)，綜合安全與作業(yè)需求考慮，包括電動單鏡頭固定翼、電動雙鏡頭固定翼、電動五鏡頭旋翼，基本上涵蓋了大部分的工程應(yīng)用。

1.2實景建模技術(shù)

實景建模技術(shù)廣義來講指以照片數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、空中三角測量、像點匹配、DSM點云生成、TIN構(gòu)建、紋理映射等技術(shù)處理，生成逼近真實場景的高分辨率三維模型。綜合性能各方面指標本文選擇在實景建模軟件領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的ContextCapture軟件進行實景建模。

2工程作業(yè)條件分析及方案設(shè)計

實景模型由無人機數(shù)據(jù)解算而來，在不同的工程建設(shè)中，對實景模型質(zhì)量要求的側(cè)重各有不同，這也就對無人機的不同技術(shù)參數(shù)提出了著重要求。為滿足工程質(zhì)量要求，為高效作業(yè)，本文針對項目側(cè)重點的不同設(shè)計了技術(shù)參數(shù)側(cè)重不同的無人機及相關(guān)作業(yè)方案。

2.1工程作業(yè)條件分析

無人機數(shù)據(jù)質(zhì)量決定著實景模型質(zhì)量是否滿足工程建設(shè)需求。追根溯源，控制無人機數(shù)據(jù)質(zhì)量顯得尤為重要。無人機數(shù)據(jù)質(zhì)量主要由兩方面的因素決定，一是內(nèi)因，包括無人機飛控、pos、差分等硬性參數(shù)，取決于我們所選擇無人機類型；二是外因，包括地形條件、大氣狀況、障礙物，以及無人機航高、旁向、航向重疊度等的設(shè)置。

在影響無人機數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素中，工程建設(shè)地點的地形條件、障礙物狀況等是無法選擇的，因此方案設(shè)計以此為分類依據(jù)：

1.地形等級低、離市區(qū)等空域干擾單位遠、作業(yè)面積較大。

2.地形等級中等、離市區(qū)等空域干擾單位近、作業(yè)面積較大。

3.在市區(qū)，機場等空域干擾因素較近、作業(yè)面積較小。

2.2方案設(shè)計

首先針對地形等級低、離市區(qū)等空域干擾單位遠、作業(yè)面積較大此類的航測項目。

其特點主要在于地形起伏較緩，無高大建筑且低矮建筑較為稀疏，作業(yè)面積較大。根據(jù)空中三角測量的解算特點，其連接點較少，需要較多的控制點提高坐標高程精度。旋翼五鏡頭雖側(cè)面紋理豐富但無差分配置在該環(huán)境下難以發(fā)揮其優(yōu)勢，固定翼無人機配置兩鏡頭及PPK差分技術(shù)，在滿足紋理要求的同時，利用PPK差分技術(shù)保證大面積作業(yè)的數(shù)據(jù)精度，在確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時也提升了作業(yè)效率。

其次針對地形等級中等、離市區(qū)等空域干擾單位近、作業(yè)面積較大此類的航測項目。

其特點主要在于地形起伏較大或村莊較密集，作業(yè)面積較大。對于建筑密集區(qū)域，采用旋翼五鏡頭結(jié)合像控點布置的方案，在控制作業(yè)困難的地區(qū)可敷設(shè)構(gòu)架航線：針對地形起伏較大的山區(qū)等區(qū)域，首先模型坐標高程精度差于平原地區(qū)，此外像控點也布置困難，需采用RTK或PPK差分技術(shù)才能保證較好的高程精度，而現(xiàn)有旋翼無人機基本上無差分配置，因此為保證數(shù)據(jù)精度及照片重疊度，采用帶差分固定翼井字飛行，布置部分像控點，在保證數(shù)據(jù)精度的同時保證模型結(jié)構(gòu)。

最后針對在市區(qū)，機場等空域干擾因素較近、作業(yè)面積較小此類的航測項目。

其特點主要在于建筑密集，高大建筑、信號塔、飛行管制等障礙較多。要求無人機機動性強，飛行高度低，且側(cè)面紋理豐富，旋翼五鏡頭無人機既能保證其紋理要求又能保證作業(yè)機動性。

3航攝及實景建模作業(yè)流程

依據(jù)航空攝影規(guī)范和飛行有關(guān)規(guī)定，根據(jù)項目要求和作業(yè)區(qū)實際情況，從攝區(qū)的自然地理情況、技術(shù)設(shè)備情況、資金情況、飛行空域概況等方面，結(jié)合本文提出的作業(yè)類型，進行系統(tǒng)的分析，選擇作業(yè)方案。

3.1航攝環(huán)境條件

測區(qū)航線敷設(shè)時，荒漠、高山區(qū)隱蔽地區(qū)等和測圖控制作業(yè)比較困難的地區(qū)，可以選擇敷設(shè)構(gòu)架航線，構(gòu)架航線根據(jù)測圖控制布點設(shè)計的要求設(shè)置：航線敷設(shè)要保證架次之間相鄰航線重疊度；水域、海區(qū)航攝時，航線敷設(shè)要考慮到像主點落水對重疊度的影響，保證地物完整覆蓋。

航攝時間的確定主要考慮：其一既要保證充足的光照度，又要避免過大的陰影：其二避開霧或霧霾天，保證一個好的大氣透明度；其三水面、砂礫等反光強烈的地物面積較大時，應(yīng)避開光照強烈的正午前后；此外，風較大的時候適當降低航高或取消航飛計劃。

3.2實景建模條件

數(shù)據(jù)準備，首先內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)交接，包括架次、航線布設(shè)，航高、重疊度設(shè)置，風力、陰晴等天氣狀況，建筑物、植被、水面等地物狀況，實測控制點等相關(guān)文件；此外，控制點TGO平差，靜態(tài)數(shù)據(jù)TBC平差。

數(shù)據(jù)檢查，對控制點數(shù)據(jù)，照片質(zhì)量等進行檢查。一方面避免控制點偶然誤差：另一方面將類似水面上反光嚴重的照片等影響成像質(zhì)量的照片摘選出來，保證實景模型質(zhì)量。

3.3內(nèi)外業(yè)流程

無人機航攝及實景建模內(nèi)外業(yè)整體作業(yè)流程如圖3所示。

結(jié)束語：無人機技術(shù)的迅速發(fā)展給后數(shù)據(jù)處理帶來了更多的可能。本文僅以無人機技術(shù)與實景建模技術(shù)在工程應(yīng)用中的實踐進行了分析與方案建議，結(jié)合了自身數(shù)年來對航測三維項目的實踐經(jīng)驗，針對項目特點綜合考慮了現(xiàn)有無人機的技術(shù)參數(shù)及性能特點，結(jié)合差分、像控保證工程精度的同時最大限度的提高作業(yè)效率。此外，部分工程項目受限于現(xiàn)有無人機性能，實施困難，相信隨著民用無人機市場的蓬勃發(fā)展，未來無人機性能將會解決或簡化大部分現(xiàn)有技術(shù)問題。endprint