多旋翼無(wú)人機(jī)在工程方量測(cè)繪中的應(yīng)用

高利敏，馮耀樓

(山西汾西正暉煤業(yè)有限公司昌元煤礦，山西 忻州 034000)

目前，對(duì)于高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取渠道仍然局限于遙感衛(wèi)星影像、大飛機(jī)航拍等，造成數(shù)據(jù)重復(fù)采集、數(shù)據(jù)處理工作復(fù)雜、分辨率低，時(shí)效性和靈活性也遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)，是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空平臺(tái)。無(wú)人機(jī)遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化的特點(diǎn)，具有快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[1]。

相對(duì)于載人飛機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量而言，多旋翼無(wú)人機(jī)更加機(jī)動(dòng)靈活，具有飛行可靠性高、安全性高、效率高、起飛和著陸場(chǎng)地要求低、操作簡(jiǎn)便、影像分辨率高等特點(diǎn)，在天氣晴朗、風(fēng)力較小(5級(jí)以下)的情況下，可獲得高精度的航攝數(shù)據(jù)，是小范圍航空攝影的重要發(fā)展趨勢(shì)。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)繪原理

1.1 飛控平臺(tái)

多旋翼無(wú)人機(jī)作為一種微型飛行器，在飛行過(guò)程中不僅易受自身物理特性(空氣動(dòng)力特性、重力特性、陀螺效應(yīng)和旋翼慣量矩等)限制的影響，還很容易受氣流等外部環(huán)境的干擾。因此，飛行控制技術(shù)對(duì)保證無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)包括3大部分：姿態(tài)控制、位置控制和高度控制。姿態(tài)控制通過(guò)由陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)輸出的角速度、加速度、磁強(qiáng)信息融合得到的姿態(tài)估計(jì)而獲取反饋信息，并對(duì)反饋信息進(jìn)行計(jì)算，輸出3個(gè)姿態(tài)控制參量，這3個(gè)控制參量與最終的轉(zhuǎn)速分配直接影響著電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而完成無(wú)人機(jī)位置、姿態(tài)和速度的控制，通過(guò)GPS與光流傳感器獲取位置信息、速度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的位置控制。高度控制包括對(duì)無(wú)人機(jī)高度和爬升速度的控制，其通過(guò)GPS、超聲測(cè)距傳感器、加速度計(jì)、氣壓計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到的數(shù)據(jù)獲取高度反饋信息，通過(guò)高度反饋信息計(jì)算相應(yīng)的控制參量，將其輸入轉(zhuǎn)速分配中，通過(guò)改變旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的控制[2]。

1.2 影像采集及處理

無(wú)人機(jī)影像采集根據(jù)任務(wù)的要求對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航線規(guī)劃(起降位置、飛行航線、重疊度、相機(jī)角度)，在航線規(guī)劃系統(tǒng)中將規(guī)劃好的航線上傳至遙感空中控制子系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃的航線控制無(wú)人機(jī)的飛行，遙感空中控制子系統(tǒng)則按照預(yù)設(shè)的航線和拍攝方式控制照相進(jìn)行拍攝。照相機(jī)將拍攝的影像及POS數(shù)據(jù)自動(dòng)寫(xiě)入飛機(jī)存儲(chǔ)器中[3]。

2 Virtual Surveyor軟件體積計(jì)算原理及方法

Virtual Surveyor軟件(簡(jiǎn)稱VS軟件)是通過(guò)將數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)合并成一個(gè)三維立體模型并創(chuàng)建一個(gè)虛擬的環(huán)境來(lái)處理大量的無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)，利用模型信息融合生成綜合模型，自動(dòng)化完整地展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)成果所包含的全部信息。基于無(wú)人機(jī)處理后的真實(shí)數(shù)據(jù)，使信息可視化、可操作化，借助軟件進(jìn)一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和補(bǔ)充了地理空間信息生產(chǎn)[4]。

利用VS軟件中的“體積計(jì)算”功能，將計(jì)算區(qū)域兩次測(cè)得的模型結(jié)果偏移至同一標(biāo)高，進(jìn)行兩次挖方計(jì)算，然后求差比較兩次挖方的差值，即為兩期間土方量的計(jì)算結(jié)果。

3 多旋翼無(wú)人機(jī)土方量測(cè)量外業(yè)案例

利用拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)山西汾西正暉煤業(yè)有限公司昌元煤礦2號(hào)排土場(chǎng)間隔兩個(gè)月的排土量進(jìn)行量測(cè)。

3.1 拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

八旋翼無(wú)人機(jī)專為檢測(cè)和測(cè)繪應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用頂級(jí)的傳感器，自主減震、自動(dòng)補(bǔ)償相機(jī)支架等部件，搭載一架高清晰的RGB相機(jī)(索尼Alpha7R),適合需要采用高分辨率影像的小范圍測(cè)量、測(cè)圖、建模、繪圖和檢測(cè)項(xiàng)目，見(jiàn)表1。

3.2 確定作業(yè)區(qū)域坐標(biāo)

確定的作業(yè)區(qū)域如圖1、圖2所示。

圖1 2017年9月30日2號(hào)排土場(chǎng)

圖2 2017年11月30日2號(hào)排土場(chǎng)

3.3 布設(shè)并測(cè)量外業(yè)像控點(diǎn)

像控點(diǎn)是攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，其布設(shè)的精度和數(shù)量直接影響航測(cè)數(shù)據(jù)后處理的精度，因此像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇應(yīng)當(dāng)規(guī)范、精確：

(1) 選擇像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇地形測(cè)量通視良好且可以明確辨認(rèn)的地物點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。

(2) 布設(shè)的標(biāo)志應(yīng)對(duì)空視角好，避免被建筑物、樹(shù)木等遮擋。

(3) 黑白反差不大，地物有陰影及某些弧形地物不應(yīng)作為控制點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)[5-7]。

本次飛行區(qū)域內(nèi)共布設(shè)6個(gè)像控點(diǎn)和4個(gè)檢核點(diǎn)，并采用1980西安坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

3.4 規(guī)劃飛行航線

飛行航線規(guī)劃的主要目標(biāo)是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境條件信息，綜合考慮無(wú)人機(jī)的性能、到達(dá)時(shí)間、耗能、威脅及飛行區(qū)域等約束條件[8]，利用AscTec Navigator軟件規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或次優(yōu)航線，保證無(wú)人機(jī)高效、快速地完成飛行任務(wù)。

本區(qū)域長(zhǎng)350 m，寬240 m，兩次飛行共10條往返航線，飛行高度80 m，航向重疊度75%，旁向重疊度60%，地面采樣間距11.18 mm，航拍照片數(shù)量384張，如圖3所示。

圖3 AscTec Navigator軟件航線規(guī)劃

3.5 航空攝影測(cè)量

選擇能見(jiàn)度大于3000 m、風(fēng)力小于5級(jí)的氣象條件執(zhí)行飛行航測(cè)任務(wù)。在航測(cè)過(guò)程中，全程監(jiān)控多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的飛行軌跡、GPS信號(hào)強(qiáng)度、電量、高度、速度、姿態(tài)及其他參數(shù)，保證飛行的安全及數(shù)據(jù)的可靠性[9]。

3.6 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

(1) 利用Agisoft PhotoScan后處理軟件對(duì)兩次飛行任務(wù)航攝影像進(jìn)行照片對(duì)齊、刺點(diǎn)空三解算，得出密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型及數(shù)字正射影像圖。經(jīng)檢查4個(gè)檢核點(diǎn)，平面和高程誤差均在2 cm以內(nèi)，如圖4、表1所示。

圖4 Agisoft PhotoScan軟件界面

點(diǎn)號(hào)類型VX/mVY/mVZ/mCH1XYZ/CHECK0.0050.0130.008CH2XYZ/CHECK-0.015-0.0090.002CH3XYZ/CHECK-0.004-0.0130.013CH4XYZ/CHECK-0.008-0.0110.008平面中誤差:0.0054m 高程中誤差:0.0156m

(2) 利用Virtual Surveyor軟件對(duì)DEM和DOM文件建立三維模型，如圖5所示。

圖5 Virtual Surveyor軟件建立三維模型

(3) 利用Virual Surveyor軟件中的計(jì)算體積功能，實(shí)地最低高程為1560 m，將地形偏移水平面高程設(shè)置為1550 m，進(jìn)行挖方“體積計(jì)算”，并“修改地形”，如圖6、圖7所示。

圖6 Virtual Surveyor進(jìn)行第一次挖方量計(jì)算

圖7 Virtual Surveyor軟件進(jìn)行第二次挖方量計(jì)算

(4)對(duì)兩次挖方量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 結(jié)果計(jì)算 m3

4 成果分析

航測(cè)外業(yè)和內(nèi)業(yè)計(jì)算兩個(gè)環(huán)節(jié)決定了多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)量工程方量的精度。航測(cè)的精度與光照、風(fēng)力、飛行重疊度、GPS信號(hào)強(qiáng)度、后處理軟件進(jìn)行空三加密處理的精度、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的位置選取、測(cè)點(diǎn)精度、人為刺點(diǎn)的精度、軟件處理質(zhì)量水平的高低等因素有關(guān)，航測(cè)外業(yè)的精度對(duì)最終結(jié)果的影響更大。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，在適當(dāng)?shù)臍庀髼l件下，多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到所需的航測(cè)精度，本文案例已經(jīng)達(dá)到RTK產(chǎn)品的測(cè)量精度，滿足了工程方量計(jì)算的需要。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法采用人工測(cè)點(diǎn)，受地形限制，費(fèi)時(shí)耗力，風(fēng)險(xiǎn)高且難以獲取全面精確的數(shù)據(jù)，而利用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)繪則有效地避免了上述問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用Virual Surveyor軟件計(jì)算兩期土方量，要求至少有兩次以上的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)兩次以同一標(biāo)高為基準(zhǔn)，偏移地形求兩次填(挖)方差值算得兩期間工程方量。方量的計(jì)算精度取決于采集數(shù)據(jù)的精度和數(shù)據(jù)采集的密度。采集數(shù)據(jù)過(guò)程中一定要保證數(shù)據(jù)的精度和完整度，為計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

作為技術(shù)創(chuàng)新，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)有力地推動(dòng)了測(cè)量測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。加強(qiáng)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的研究與應(yīng)用，是提高測(cè)繪效率的有效手段，有利于有關(guān)部門及時(shí)掌握所需動(dòng)態(tài)地理信息，促進(jìn)創(chuàng)新測(cè)繪服務(wù)模式，積極推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息化，從而保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康快速地發(fā)展。

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