無人機航測系統(tǒng)在地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

（廣西壯族自治區(qū)桂林水文工程地質(zhì)勘察院，廣西 桂林 541002）

帶狀地形圖的成圖方法有很多，現(xiàn)階段常用的測圖方法有全野外數(shù)字測圖和航攝數(shù)字化測圖。全野外數(shù)字化測圖在野外用全站儀、RTK等按照測圖范圍采集數(shù)據(jù)，這種測圖方法測量需要投入大量人力、物力，并且在地形破碎、地勢險要的地區(qū)難以測量。傳統(tǒng)航空測量發(fā)展較成熟，應(yīng)用范圍十分廣泛，但該技術(shù)對自然條件和機場條件的依賴性大，成本較高，從而限制了傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在帶狀地形測量中的應(yīng)用。

近年來，低空無人機（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）技術(shù)得到了飛速發(fā)展，基于無人機平臺的航空攝影技術(shù)顯現(xiàn)出很強的優(yōu)勢。無人機低空航測技術(shù)具有使用成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和轉(zhuǎn)場容易等顯著優(yōu)勢，且適用于危險區(qū)域測繪和快速監(jiān)測等應(yīng)急測繪方面。采用無人機平臺獲取的影像具有清晰度高、分辨率高、比例尺大和現(xiàn)勢性強等優(yōu)點。無人機低空航測技術(shù)成為近年來航拍影像、地質(zhì)測繪圖獲取的重要技術(shù)途徑。本文以無人機攝影測量系統(tǒng)在地質(zhì)圖測繪中的應(yīng)用為例，來展現(xiàn)無人機航測過程中的技術(shù)特點。人駕駛飛行器、GPS定位導(dǎo)航、攝影傳感器。無人機優(yōu)點是成本比較小、高機動性、專業(yè)化、小型等。而無人機在進行飛行過程中需要由一些輔助設(shè)施，主要包含：操作系統(tǒng)、地面站、遠程通信裝置、無人機飛行平臺、信息處理系統(tǒng)等。整個系統(tǒng)特點有飛行準(zhǔn)備時間較短、方便操作、作業(yè)靈活、容易獲取信息、得到精度較高影像。

1 無人機航測系統(tǒng)簡介

無人機航測系統(tǒng)是由很多設(shè)備組成的,它主要包含:無

2 地質(zhì)圖測量工作特點

地質(zhì)測量主要指的是測繪地形圖的作業(yè)過程，可概括為對地球表面的地物、地形在水平面上投影的位置和高程進行測量，并按照一定的比例進行縮小，用注記繪制的地形圖工作。

采用無人機航空攝影測量，測區(qū)具體位于東經(jīng)110°35′36″～110°40′44″，北緯25°20′48″～25°36′26″。整條線路屬丘陵地形測區(qū),海拔為217～285m。

測區(qū)內(nèi)交通一般。整條線路地形復(fù)雜，隱蔽地形和一般地形都有分布，地物較多。部分地區(qū)樹林密集，地物雜亂無章，沿線道路交通良好，通視情況一般。

本項目如果使用全站儀、RTK等方式測量存在較大困難。

測區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)狀況復(fù)雜，河兩岸灌木林較多，這些因素給測量人員施測帶來較大困難。再結(jié)合該項目工期較短的情況，且該項目地形圖主要用于設(shè)計線路用，決定采用無人機航拍方式來實施本項目。

3 無人機航測技術(shù)在地質(zhì)測繪中的工作流程

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，地質(zhì)測量技術(shù)也在不斷的更新，傳統(tǒng)的測量方式已經(jīng)不適合所有地區(qū)的地質(zhì)測量，而無人機航測技術(shù)的出現(xiàn)，不但解決了復(fù)雜地形區(qū)域的測量困難，而且為測量工作人員帶來極大便利條件，無人機航測生產(chǎn)技術(shù)流程由接受任務(wù)開始，經(jīng)測區(qū)踏勘、技術(shù)參數(shù)設(shè)計、像控點布設(shè)與測量、航攝實施、內(nèi)業(yè)空三加密、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集、資料整理五大階段，可分為14個步驟如圖1所示。

圖1 無人機航測技術(shù)的作業(yè)流程

表1 無人機技術(shù)參數(shù)

表2 航拍技術(shù)參數(shù)

4 控制點測量

本次項目采用先測設(shè)像控點再實施航空攝影?？刂泣c由業(yè)主提供的1980西安坐標(biāo)系成果。該成果覆蓋了整個測區(qū)，可作為本項目像片控制測量的起算和檢核數(shù)據(jù)。本測區(qū)像控點的布設(shè)采用全野外布點法，像控點布設(shè)在航向及旁向重疊范圍內(nèi)，使布設(shè)的像控點盡量公用。如不能滿足公用要求時，則采取分別布點的方法，保證不產(chǎn)生漏洞。測區(qū)像控點測量直接利用廣西省連續(xù)運行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(GXCORS)進行。網(wǎng)絡(luò)RTK的平面精度優(yōu)于2cm，結(jié)合高精度似大地水準(zhǔn)面成果，高程精度優(yōu)于3cm，已廣泛應(yīng)用于勘察、測繪、規(guī)劃和土地管理等多個行業(yè)。該方法不僅使得像片控制點的測量精度較高，還大大提高了測量作業(yè)效率。預(yù)先把像控點的位置導(dǎo)入手機奧維互動底圖，該應(yīng)用軟件使用谷歌衛(wèi)星圖，能快速精確定位到設(shè)計像控點點位，且依據(jù)實際路線來合理規(guī)劃測設(shè)像控點的路線，提高效率。為檢查像控點測量精度，隨機抽取19個像控點進行檢測，通過對比計算得出像控點的平面中誤差為±0.025m，高程中誤差為±0.035m，滿足設(shè)計及規(guī)范的要求。根據(jù)航跡線設(shè)計像控點分布，一共設(shè)置75個像控點，同時在地面上進行凃繪100cm十字形標(biāo)志,圖2為航拍的像控點。

圖2 無人機地質(zhì)測繪圖

5 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

5.1 影像質(zhì)量檢查

無人機航攝作業(yè)結(jié)束后，作業(yè)人員首先依據(jù)飛行獲得的POS和影像數(shù)據(jù)對飛行和影像質(zhì)量進行檢查。飛行質(zhì)量檢查主要包括影像重疊度、像片傾角和旋角、航線彎曲度和航高變化,以及拍攝區(qū)邊界覆蓋是否足夠，即航拍范圍是否滿足任務(wù)要求。影像質(zhì)量檢查主要包括以下幾個方面：影像的清晰度、層次、反差、色調(diào)，判斷能否辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細小地物，并能建立精確的立體模型，還有影像是否存在陰影、大面積反光、污點等明顯缺陷，是否影響立體模型的建立和連接，再者考慮無人機地速的影響，計算在曝光瞬間造成的像點位移是否滿足規(guī)范要求。以上檢查內(nèi)容若不滿足內(nèi)業(yè)規(guī)范和作業(yè)任務(wù)要求，則根據(jù)實際情況擬定重飛或局部區(qū)域補飛的飛行計劃。

5.2 空三加密與測圖

本項目內(nèi)業(yè)采用PIX4D進行。空三加密時需要注意的是整個作業(yè)過程中確保相機參數(shù)、測區(qū)信息和控制點的大地坐標(biāo)準(zhǔn)確無誤，相對定向、絕對定向較差必須符合規(guī)范和設(shè)計的規(guī)定。并且，絕對定向后，平面位置與高程限差符合規(guī)范要求。內(nèi)業(yè)矢量測圖在全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上進行立體數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集時使用統(tǒng)一的符號庫和線型庫。數(shù)據(jù)按照內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性的原則進行采集，地貌按照立體模型進行采集。數(shù)據(jù)采集完成后就要對數(shù)據(jù)的完整性、正確性進行仔細檢查，確保無缺失、無移位。最后使用南方CASS軟件將矢量地形圖轉(zhuǎn)換為設(shè)計方需要的格式地形圖。外業(yè)調(diào)繪采用影像調(diào)繪和線劃圖調(diào)繪兩種作業(yè)方法，調(diào)繪的影像數(shù)據(jù)采用自空三自動匹配點粗糾正成數(shù)字正射影像圖(DOM)，并分塊按照1∶1000比例尺打??；線劃圖調(diào)繪采用采集成果數(shù)據(jù)回放圖進行，作為外業(yè)調(diào)繪的底圖。外業(yè)調(diào)繪過程中首先要注意新增地物、地貌要素及地類界、范圍線，對有樹木遮擋的地物外業(yè)采用幾何法、交會法和截距法等以明顯地物點為起始點進行補量；再者，對分布在測區(qū)內(nèi)的各級公路的名稱、等級、寬度、路面類型和道路構(gòu)造物如橋涵等均按實地位置進行調(diào)繪。

5.3 結(jié)果與精度分析

圖3 隨機抽取地質(zhì)圖

本項目共飛行3個架次，實際測繪長度40km。涉及1：1000圖幅102幅。為檢查成果的可靠性，在測區(qū)隨機抽取10幅成圖采集了90個明顯的地物點、110個地形點進行精度統(tǒng)計，如圖3所示：結(jié)果證明，根據(jù)1：1000地形圖精度要求，該項目抽檢的10幅數(shù)字線劃地圖（DLG）平地部分的平面位置中誤差和高程中誤差完全滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程介紹了無人機航測系統(tǒng)在地形復(fù)雜區(qū)域測量中的應(yīng)用情況，并通過抽樣證明了無人機低空攝影測量技術(shù)可滿足了1:1000帶狀地形圖的要求。無人機低空航測系統(tǒng)具有機動靈活、高效快速、精細準(zhǔn)確等優(yōu)勢，將越來越多應(yīng)用于人工測量困難的區(qū)域中，為地質(zhì)圖繪制提供了可靠的數(shù)字資料。

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