無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用分析

丁銳

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010070）

1 概述

無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)是航空攝影測(cè)量和遙感中出現(xiàn)的現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)可以快速、及時(shí)和全方位地獲取地理信息，具有飛行高度低、分辨率高、獲取數(shù)據(jù)快速等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足測(cè)量工作對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求，所獲取的高分辨率影像數(shù)據(jù)對(duì)于地理信息處理和應(yīng)用具有重要的意義，目前已經(jīng)成為測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)量的技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

2.1 技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)是遵循航空攝影測(cè)量的基本原理，采用無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV），搭載專(zhuān)業(yè)數(shù)字航測(cè)設(shè)備經(jīng)低空航空攝影獲取高清影像數(shù)據(jù)（像片），通過(guò)使用綜合法、全能法、分工法等測(cè)圖方法，對(duì)單張測(cè)圖像片進(jìn)行中心投影的透視變換，對(duì)立體測(cè)圖進(jìn)行投影過(guò)程的幾何反轉(zhuǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理進(jìn)而生成三維點(diǎn)云與模型，實(shí)現(xiàn)地理信息的快速獲取，生成測(cè)量產(chǎn)品，滿(mǎn)足測(cè)量需求。

2.2 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，即：飛行控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中的主體部分，包括無(wú)人機(jī)機(jī)體與動(dòng)力裝置、機(jī)載航攝設(shè)備、飛行控制設(shè)備、導(dǎo)航裝置等。地面控制系統(tǒng)也稱(chēng)為地面控制站，是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的指揮、控制中心。遙控?zé)o人機(jī)的上行數(shù)據(jù)及無(wú)人機(jī)向地面?zhèn)鬏數(shù)膱D像和遙測(cè)數(shù)據(jù)都在此進(jìn)行處理和顯示。地面控制系統(tǒng)一般由航跡規(guī)劃設(shè)備、控制及顯示平臺(tái)、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)及信號(hào)處理器、通信設(shè)備、無(wú)人機(jī)起降設(shè)備等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是對(duì)機(jī)載航攝設(shè)備獲取到的高清影像數(shù)據(jù)，按照測(cè)量任務(wù)的實(shí)際要求進(jìn)行解算和處理，生成三維點(diǎn)云與模型數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的地理信息。

3 無(wú)人機(jī)測(cè)量在地形測(cè)量中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 數(shù)據(jù)獲取快速高效

在采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行地形測(cè)量工作時(shí)，需要投入大量的人工和時(shí)間，外業(yè)測(cè)量的工作周期較長(zhǎng)，測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的檢核和校對(duì)也需要很大的工作量，且不能快速掌握整個(gè)測(cè)區(qū)的測(cè)量情況，經(jīng)常需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。而無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)可以在短時(shí)間之內(nèi)完成對(duì)地貌、地物的地理信息收集與整理工作，其作業(yè)條件不受地形和氣候的影響，需要投入的技術(shù)人員較少，內(nèi)業(yè)也可以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)圖像信息與數(shù)字信息之間的轉(zhuǎn)化。因此，與傳統(tǒng)的地形測(cè)量工作方法相比，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)可以快速獲取地理信息數(shù)據(jù)，大幅度提高工作效率。

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)精度較高

在大比例尺低空測(cè)圖中，測(cè)量誤差主要為儀器誤差、人為誤差以及氣候等外界因素影響產(chǎn)生的誤差，若配合GPS 輔助控制測(cè)量，無(wú)人機(jī)測(cè)量的實(shí)際測(cè)量精度可以達(dá)到亞米級(jí)，測(cè)圖精度可以達(dá)到1：1000，可以滿(mǎn)足大比例尺地形圖測(cè)量規(guī)范精度要求。同時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)量所拍攝的像片還可以獲取大量的三維地理信息，這些地理信息經(jīng)平差計(jì)算矯正，可以進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)測(cè)量的精度，因此，在地形測(cè)量中，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)可以保證較高的數(shù)據(jù)精度，滿(mǎn)足測(cè)量精度規(guī)范要求。

3.3 作業(yè)方式靈活快捷

在地形測(cè)量工作過(guò)程中，常常受到地形復(fù)雜程度，天氣條件的制約和影響，使得地理信息的獲取出現(xiàn)障礙，但是無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能夠有效解決這些問(wèn)題，無(wú)人機(jī)測(cè)量主要在低空域進(jìn)行，天氣條件對(duì)其影響有限，亦不受地形條件影響，在測(cè)量過(guò)程中無(wú)需考慮地形復(fù)雜程度等因素。同時(shí)，無(wú)人機(jī)體型較小，對(duì)起降的環(huán)境條件沒(méi)有要求，無(wú)人機(jī)的操作人員采用的是遠(yuǎn)距離操作控制，可以確保測(cè)量操作人員的安全性。因此，其靈活快捷的作業(yè)方式可以進(jìn)一步提高測(cè)量工作的效率和質(zhì)量，降低測(cè)量成本。

3.4 協(xié)同應(yīng)用能力較強(qiáng)

在地形測(cè)量工作過(guò)程中，應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)，不僅可以發(fā)揮其航空攝影的獨(dú)特作用，還可以與GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)、遙感技術(shù)、航空測(cè)繪技術(shù)和其他傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)等協(xié)同應(yīng)用，通過(guò)其獲取的三維可視化數(shù)據(jù)和影像可以建立數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字線(xiàn)劃圖（DLG），為測(cè)繪工作提供更多的輔助應(yīng)用。因此，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的兼容性和協(xié)同應(yīng)用能力使得測(cè)量工作更能夠取得綜合效果。

4 無(wú)人機(jī)測(cè)量在地形測(cè)量中的應(yīng)用過(guò)程

4.1 像片控制測(cè)量

在應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量時(shí)，第一步工作就是布設(shè)像片控制點(diǎn)，布設(shè)時(shí)根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況和拍攝跨度、測(cè)圖精度要求在實(shí)地進(jìn)行基線(xiàn)確定和踏勘選點(diǎn)。像片控制點(diǎn)布設(shè)后可采用GPS 靜態(tài)測(cè)量、GPS-RTK 動(dòng)態(tài)測(cè)量或全站儀導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量與測(cè)區(qū)內(nèi)高等級(jí)GPS 控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，進(jìn)行像片控制測(cè)量。為確保像片質(zhì)量，像片控制點(diǎn)上還需架設(shè)人工布標(biāo)。像片控制點(diǎn)布設(shè)完成后，要檢校無(wú)人機(jī)上的攝像設(shè)備，確保設(shè)備運(yùn)行正常，為下一步的航空攝影做好準(zhǔn)備。

4.2 航空攝影

在航空攝影開(kāi)展前，首先需要根據(jù)測(cè)區(qū)地貌地形情況和天氣情況規(guī)劃設(shè)計(jì)科學(xué)合理的航線(xiàn)，要充分考慮到山區(qū)、平原、水域、建筑物和構(gòu)筑物等地貌地物要素和風(fēng)力、風(fēng)向、光照等氣候要素的情況，進(jìn)而設(shè)置好航拍架次和拍攝區(qū)域?qū)挾纫约芭臄z設(shè)備的像幅，選擇氣候條件較好的時(shí)間段開(kāi)展航空攝影。

4.3 空中三角測(cè)量

航空攝影過(guò)程中得到的影像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行糾正和調(diào)校才能形成測(cè)量成果，糾調(diào)過(guò)程中采用的方法就是空中三角測(cè)量的加密計(jì)算，可以采用半自動(dòng)作業(yè)的方法在像片上選取、量測(cè)測(cè)圖定向點(diǎn)進(jìn)行整體平差，消除地球曲率、大氣折光等造成的數(shù)據(jù)誤差。目前可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量的自動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)相對(duì)定向和單片糾正，提高測(cè)量成果的質(zhì)量，保證測(cè)量精度。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集和測(cè)圖

像片等數(shù)據(jù)源經(jīng)過(guò)糾正和調(diào)校后即可進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)的采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的采集和處理可采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行，為確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，重要的地理信息數(shù)據(jù)可通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行采集，其他普通地理信息數(shù)據(jù)可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行立體采集。數(shù)據(jù)采集完畢后可以直接導(dǎo)入空中三角測(cè)量的加密平差計(jì)算成果進(jìn)行建模并完成數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字線(xiàn)劃圖（DLG）的制作。

4.5 外業(yè)調(diào)繪和精度檢查

外業(yè)調(diào)繪是對(duì)測(cè)量成果的再次檢核，使用的是紙質(zhì)地形圖對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)不清晰不完整的地物地貌要素進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和修測(cè)，對(duì)已有地物地貌信息進(jìn)行檢查和改正，對(duì)缺失的地物地貌信息進(jìn)行增補(bǔ)。同時(shí)，利用GPS-RTK 等測(cè)量方法進(jìn)行野外實(shí)測(cè)來(lái)檢查測(cè)圖的精度，得出平面和高程誤差結(jié)果，依據(jù)測(cè)量規(guī)范評(píng)判測(cè)量精度，從而最終形成測(cè)量?jī)?nèi)容表達(dá)清晰，地物地貌全面涵蓋，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，測(cè)量精度符合規(guī)范要求的地形圖成果。

5 無(wú)人機(jī)測(cè)量在地形測(cè)量應(yīng)用中存在的問(wèn)題

任何測(cè)量技術(shù)都存在短板和缺陷，無(wú)人機(jī)測(cè)量在地形測(cè)量中應(yīng)用也存在下述問(wèn)題：一是開(kāi)展小測(cè)區(qū)地形測(cè)量的無(wú)人機(jī)一般體積小、載量低，通常攜帶普通微單相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)航拍，會(huì)使得像片像素不能滿(mǎn)足成圖要求，存在畸變差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不能達(dá)到地形測(cè)量的高精度要求；二是小型無(wú)人機(jī)所配備的電池容量較小，續(xù)航時(shí)間較短，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定測(cè)量任務(wù)，航拍過(guò)程中存在不確定性，若飛行過(guò)程中遭遇強(qiáng)氣流，可能會(huì)造成飛行器損壞等經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)論

目前在地形測(cè)量工作中對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，未來(lái)可以探索無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的地形測(cè)量方法協(xié)同作業(yè)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)做為有人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的重要補(bǔ)充，必將在地形測(cè)量中得到更加廣闊的應(yīng)用前景，因此對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行分析具有重要意義。