無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用探究

張家麟

摘要：無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)較多，包括靈活機(jī)動(dòng)、快速高效、準(zhǔn)確精細(xì)等。在公路建設(shè)中，利用無(wú)人機(jī)對(duì)帶狀地形進(jìn)行航測(cè)具有較大的發(fā)展前景，相關(guān)研究顯示，這一測(cè)量方法的誤差較小，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性較高，對(duì)于地形圖繪制、公路設(shè)計(jì)起到了輔助作用。本文對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了概述，提出了其在公路帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)；公路帶狀地形；測(cè)量

公路的帶狀地形測(cè)量多由全站儀測(cè)量法、GNSS PTK測(cè)量法、傳統(tǒng)航空測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)。前兩種測(cè)量方法需要的人力資源較大，不適用于地形破碎、建筑密集的地點(diǎn)；后一種測(cè)量方法盡管較為成熟，但成本較高，影響因素較多，諸如天氣條件等，其攝影需要較長(zhǎng)周期。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航測(cè)系統(tǒng)逐漸發(fā)展為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便利、節(jié)約成本的新型地形測(cè)量方法。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)感測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用取得了理想的效果。

一、無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的概述

（一）系統(tǒng)組成

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，操作人員可以對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，無(wú)人機(jī)配有攝像功能，能夠獲取低空照片，且分辨率極高，通過(guò)信息化處理，這些圖像能夠轉(zhuǎn)化為精度較高的地圖。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的功能眾多，包括高空拍攝、遙控及遙測(cè)、視頻影像微波傳輸、影像信息處理計(jì)數(shù)等，是綜合性的測(cè)量技術(shù)[1]。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成部分包括地面保障設(shè)備、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、飛控系統(tǒng)、飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。應(yīng)用廣泛的低空攝影測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)則主要包括地面控制系統(tǒng)、空中攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個(gè)主要構(gòu)成部分。

（二）工作流程

規(guī)劃測(cè)量區(qū)域的航線——控制無(wú)人機(jī)沿航線飛行并進(jìn)行拍攝作業(yè)——存儲(chǔ)拍攝數(shù)據(jù)——與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并進(jìn)行信息處理——無(wú)人機(jī)結(jié)束飛行任務(wù)并按計(jì)劃降落——根據(jù)數(shù)據(jù)資料明確補(bǔ)拍是否需要進(jìn)行——無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量任務(wù)完成。

二、無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用策略

（一）準(zhǔn)備階段

1.選擇機(jī)型。測(cè)繪人員需對(duì)項(xiàng)目的具體需求進(jìn)行確認(rèn)，明確測(cè)繪目標(biāo)后，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的低空攝影設(shè)備，確定無(wú)人機(jī)型號(hào)[2]。一般來(lái)說(shuō)，一般的地形測(cè)量會(huì)利用固定翼無(wú)人機(jī)，而小面積測(cè)繪、需傾斜攝影的測(cè)繪項(xiàng)目則可能會(huì)用到多旋翼無(wú)人機(jī)。

2.搜集地形資料。

測(cè)繪人員需要對(duì)公路周圍的地形地貌進(jìn)行勘察，根據(jù)公路的全長(zhǎng)，確定無(wú)人機(jī)作業(yè)范圍。同時(shí)，要調(diào)查該區(qū)域的海拔、天氣等基本信息，考察是否存在隱蔽地形，分析地物覆蓋情況，根據(jù)植被密度評(píng)價(jià)其視覺通透性[3]。根據(jù)實(shí)地勘測(cè)信息，完善項(xiàng)目的整體測(cè)繪資料，制定無(wú)人機(jī)飛行的起點(diǎn)和航線。

3.設(shè)備檢查。為了提高無(wú)人航測(cè)的有效性，需對(duì)其進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)，對(duì)無(wú)人機(jī)的各部分零件進(jìn)行核查，定期維護(hù)，確保設(shè)備無(wú)故障再開始航拍工作，避免拍攝無(wú)效帶來(lái)的人力和物力損失。

（二）戶外作業(yè)階段

1.控制測(cè)量。使用全站儀配合以GPS技術(shù)對(duì)路線進(jìn)行控制測(cè)量，在道路兩旁或設(shè)計(jì)中線附近設(shè)置GPS控制點(diǎn)，在高等點(diǎn)之間逐級(jí)設(shè)置加密一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)。設(shè)置四等電磁波導(dǎo)線測(cè)量高程，或使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量。

2.航空攝影。無(wú)人機(jī)的飛行路線以設(shè)計(jì)公路走向?yàn)橐罁?jù)，根據(jù)項(xiàng)目量選擇飛行架次，根據(jù)測(cè)量路線的寬度，設(shè)置每架無(wú)人機(jī)的飛行航線數(shù)量。確定無(wú)人機(jī)的飛行平臺(tái)（如ZC-Ⅱ）、飛行系統(tǒng)（如YS09）、相機(jī)型號(hào)（如EOS 5D MarkⅡ型單反相機(jī)）、航拍時(shí)間、圖像分辨率等[4]。

3.圖片控制點(diǎn)的布設(shè)。其一，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的照片控制點(diǎn)標(biāo)志，例如在方形噴繪紙上設(shè)計(jì)黑、白兩色相間的圓形圖案[5]。其二，由于公路項(xiàng)目的途徑區(qū)域多存在較為密集的植被，可能影響拍攝精度，因而在測(cè)量前，需要人工安置測(cè)量控制點(diǎn)，該控制點(diǎn)處于公路中線位置，要確保無(wú)人機(jī)所拍攝的照片中，該標(biāo)志能夠被看清?？刂泣c(diǎn)的拍攝要全面，包括起點(diǎn)、無(wú)人機(jī)交叉點(diǎn)、終點(diǎn)。其三，對(duì)相片控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，集合全站儀測(cè)導(dǎo)線測(cè)量、GNSS PTK測(cè)量、GNSS靜態(tài)測(cè)量等方法，提高測(cè)量效率，保證控制點(diǎn)的精確度。

4.空中三角測(cè)量。普通數(shù)碼相機(jī)的成像效果較差，與專業(yè)的測(cè)量相機(jī)相比存在一定差距，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度不高。且無(wú)人機(jī)在航測(cè)過(guò)程中容易受環(huán)境干擾，環(huán)境因素不利時(shí)，拍攝質(zhì)量也會(huì)下降。因而，光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量成為了處理無(wú)人機(jī)影像的關(guān)鍵方法[6]。無(wú)人機(jī)的像控條件很多變，拍攝結(jié)果并不規(guī)范，處理誤差的方法也較為復(fù)雜，這一測(cè)量方法與這些特點(diǎn)恰好契合，能夠?qū)⒄掌瑯?gòu)成的光束作為平差單元，將中心投影的共線方程設(shè)置為平差基礎(chǔ)方程，通過(guò)空間中光線的旋轉(zhuǎn)與平移，實(shí)現(xiàn)模型的光線交匯效果，將區(qū)域最佳地點(diǎn)納入控制點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)中，通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q系統(tǒng)誤差影響平差結(jié)果的問(wèn)題。空中三角測(cè)量主要有三道程序，首先是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，其次是自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)，最后是空中三角測(cè)量加密。

（三）數(shù)據(jù)處理階段

數(shù)據(jù)處理階段主要包括兩項(xiàng)主要工作，其一：通過(guò)信息技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）；其二：對(duì)DEM和DOM的輸出成果進(jìn)行檢測(cè)，保證模型數(shù)據(jù)結(jié)果的質(zhì)量，提高其真實(shí)性與有效性，完成數(shù)字規(guī)劃地圖（DLG）的制作。這一過(guò)程可細(xì)分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)編輯兩個(gè)環(huán)節(jié)。

1.數(shù)據(jù)采集：通過(guò)立體顯示設(shè)備，或裸眼3D技術(shù)，工作人員可以觀看立體影像，完成一手地圖的制作。數(shù)據(jù)采集要求較高的精度標(biāo)準(zhǔn)，要將所有的可見物均呈現(xiàn)出來(lái)，畫出包括居民區(qū)在內(nèi)的所有區(qū)域的等高線，全面采集成圖區(qū)域的高程點(diǎn)。在全數(shù)字立體模型和三角加密結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以對(duì)采集不同底物的高程點(diǎn)位置。全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站以對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行的采集，測(cè)繪人員可在實(shí)地進(jìn)行對(duì)照性測(cè)量，分析并比較兩種結(jié)果，統(tǒng)計(jì)誤差[7]。若地面覆蓋物的形態(tài)良好，則立體模型采集點(diǎn)、空三加密控制點(diǎn)之間具有較為一致的精度，證明此觀測(cè)項(xiàng)目的誤差不大，可以將之設(shè)置為獨(dú)立檢查點(diǎn)?？罩腥菧y(cè)量、影響預(yù)處理等步驟將校正構(gòu)像畸變納入了考慮范圍之中，但普通攝影機(jī)的精度不高，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，會(huì)引發(fā)航線增多、人員任務(wù)重等問(wèn)題，需要利用多拼相機(jī)加以完善。

2.數(shù)據(jù)編輯：采集人員將一手地圖制成后，編輯人員需要對(duì)其進(jìn)行修整，使地圖更具有規(guī)范性與精準(zhǔn)性，更加滿足公路項(xiàng)目建設(shè)的需要。數(shù)據(jù)編輯工作包括加文字注記、刪減高程注記點(diǎn)、拼接地圖、加圖幅圖框、修剪等高線等。無(wú)人機(jī)航測(cè)具有偶發(fā)事件，即難以一次成像。圖像不清晰，會(huì)導(dǎo)致信息采集的模糊、缺失、失真。此時(shí)，編輯人員需要對(duì)問(wèn)題圖像及你下個(gè)標(biāo)注，制作半成品圖，將結(jié)果反饋給外業(yè)人員。外業(yè)人員需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，對(duì)圖像質(zhì)量較差的區(qū)域進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，根據(jù)補(bǔ)測(cè)結(jié)果完善成圖。編輯工作難度大、任務(wù)重，且缺乏高素質(zhì)的專業(yè)人才[8]。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)等高線的自動(dòng)生成，曲線編輯也可通過(guò)人機(jī)交互來(lái)完成，對(duì)這一現(xiàn)狀有所幫助，同時(shí)，數(shù)據(jù)編輯的效率和精度也相應(yīng)提高。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的誕生及應(yīng)用，將大量的人力從繁重的測(cè)量作業(yè)中脫離出來(lái)，將測(cè)量效率提高了十倍以上。這一測(cè)量技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的地形測(cè)量方式，既有成本低，又便捷高效，在公路帶狀地形的測(cè)量中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。隨著設(shè)備的不斷完善，地理信息數(shù)據(jù)采集等技術(shù)的提高，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)將更加穩(wěn)定、安全，其發(fā)展?jié)摿^大，發(fā)展前景十分可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]周進(jìn)省， 趙曉米. 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的大比例尺公路帶狀地形圖測(cè)繪[J]. 資源導(dǎo)刊， 2016（12）：51-54.

[2]王斌， 王軍倉(cāng)， 段千紅，等. 構(gòu)架航線在公路帶狀地形圖測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪技術(shù)裝備， 2017（4）：81-82.

[2]張瑞紅. 淺談無(wú)人機(jī)低空攝影在渦河河道帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 河南科技， 2017（13）：92-94.

[4]王剛. 無(wú)人機(jī)在帶狀地形監(jiān)測(cè)方法中的應(yīng)用研究[J]. 中小企業(yè)管理與科技（下旬刊）， 2016（8）：190-191.

[5]陳沖， 周進(jìn)省， 尤艷紅. 積云-號(hào)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在水利測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 資源導(dǎo)刊， 2017（20）：40-41.

[6]周治伍， 李萍， 王穎. 低空無(wú)人機(jī)航測(cè)在大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 工程技術(shù)：引文版， 2016（8）：00298-00298.

[7]張久龍， 李淑梅， 張利群，等. 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在農(nóng)村1∶500地籍測(cè)圖中的應(yīng)用探討[J]. 測(cè)繪地理信息， 2017（1）：69-72.

[8]廉琦. AGS200系統(tǒng)輔助無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在地災(zāi)項(xiàng)目中的測(cè)試及分析[J]. 測(cè)繪技術(shù)裝備， 2017， 19（2）：15-18.