關(guān)于無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

馬蕾

摘 要：近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)科技水平的提升。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，給工程測(cè)繪技術(shù)提出了更高的要求，不僅要具備較高的測(cè)繪效率，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)處理水平也必須要得到提高。無人機(jī)測(cè)繪作為一項(xiàng)新型的測(cè)繪技術(shù)，不僅具有測(cè)繪效率高、精度高的特點(diǎn)，同時(shí)其在數(shù)據(jù)處理方面也具有巨大優(yōu)勢(shì)，可以大大提高數(shù)據(jù)處理的效率，降低人工勞動(dòng)力的投入。本文就關(guān)于無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；測(cè)繪數(shù)據(jù)處理；應(yīng)用

引言

人機(jī)技術(shù)的日益成熟，使得無人機(jī)在地圖測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘查等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)在飛行過程中，利用機(jī)載小型攝像機(jī)航拍目標(biāo)區(qū)域的圖像、視頻，然后將這些數(shù)據(jù)信息傳輸回控制中心，方便管理人員動(dòng)態(tài)化的了解目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際情況，從而為下一步開展相關(guān)工作提供了必要的參考。在這一過程中，如何提高無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的效率與質(zhì)量，成為決定無人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用效果的重要因素。

1 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)數(shù)據(jù)處理概述

無人機(jī)作為當(dāng)下時(shí)代的主要產(chǎn)物，被廣泛應(yīng)用到軍事和民用等多個(gè)領(lǐng)域。而無人機(jī)在工程測(cè)量中的應(yīng)用，使得測(cè)量效率得到了大幅度提高，同時(shí)對(duì)于測(cè)繪結(jié)果的精度也可以得到保障。無人機(jī)系統(tǒng)主要包括以下幾方面結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)。根據(jù)無人機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)，可以將其分為固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)，其中四軸無人機(jī)飛行器是多旋翼無人機(jī)的主要代表。利用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪數(shù)據(jù)的處理主要原理如下，即通過無人機(jī)控制點(diǎn)所獲得的數(shù)據(jù)信息，將其與無人機(jī)航拍所得到的圖像信息進(jìn)行結(jié)合處理，最終得到相關(guān)的數(shù)字產(chǎn)品。無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的效率和精度高低對(duì)于后續(xù)工作影響較大，所以相關(guān)研究人員要給予高度重視。

2 無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)組成分析

（1）空中部分。無人機(jī)遙感測(cè)繪系統(tǒng)的空中部分主要包括4個(gè)方面，控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)和無人機(jī)平臺(tái)。控制系統(tǒng)主要是指地面控制中心，即地面工作人員通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的操控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制，從而完成一系列的飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)變；傳感器系統(tǒng)是無人機(jī)遙感測(cè)繪系統(tǒng)的核心部分，其中布設(shè)有CCD數(shù)碼相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)等設(shè)備，可以高效地進(jìn)行空間影像拍攝處理；壓縮系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，確保數(shù)據(jù)信息的高精準(zhǔn)度；無人機(jī)平臺(tái)即低速無人駕駛飛機(jī)。（2）地面部分。無人機(jī)遙感系統(tǒng)的地面部分可以細(xì)分為無人機(jī)軌跡規(guī)劃部分、無人機(jī)遠(yuǎn)程控制部分和影像拍攝顯示部分。其中，軌跡規(guī)劃任務(wù)主要是對(duì)無人機(jī)測(cè)繪航線、性能以及作業(yè)區(qū)范圍進(jìn)行規(guī)劃，確保無人機(jī)測(cè)繪的高效進(jìn)行。完成軌跡規(guī)劃后，由地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行無人機(jī)的測(cè)繪作業(yè)，同時(shí)由地面顯示系統(tǒng)記錄無人機(jī)拍攝的各類影像數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)處理部分。無人機(jī)遙感測(cè)繪系統(tǒng)包含計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，獲取實(shí)物影像信息后，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理工作，不僅減少了人工工作，而且大大提高了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。無人機(jī)遙感測(cè)繪系統(tǒng)依靠地面部分、空中部分以及數(shù)據(jù)處理部分之間的配合完成工程測(cè)繪作業(yè)，功能性較高，可以被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)區(qū)監(jiān)控方面，不但可以了解災(zāi)區(qū)詳細(xì)影響信息，還可以為后續(xù)災(zāi)區(qū)重建提供重要的數(shù)據(jù)參考。

3 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 相機(jī)校驗(yàn)

在無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)當(dāng)中，最為重要的一個(gè)設(shè)備就是非量測(cè)相機(jī)，其測(cè)量準(zhǔn)確度直接決定著整個(gè)測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，主要是由以下幾個(gè)方面因素所造成的：首先，相機(jī)的鏡頭本身就存在較大的畸變差，這就使得測(cè)量點(diǎn)可能出現(xiàn)一定的誤差，從而影響測(cè)繪結(jié)果；其次，由于事先不知道相片中心和相機(jī)主距的具體坐標(biāo)，所以不能根據(jù)影像對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，這樣會(huì)在一定程度上影響數(shù)據(jù)處理效果。想要更好地避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，不斷提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，就需要專業(yè)人員對(duì)相機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)。

3.2 DOM生產(chǎn)

DOM（數(shù)字正射影像技術(shù)）是無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)中，主要包括數(shù)據(jù)處理、影像糾正和勻色處理等環(huán)節(jié)。這幾個(gè)環(huán)節(jié)的處理水平直接影響了DOM最終的結(jié)果精度。進(jìn)行DOM生產(chǎn)時(shí)，人工作業(yè)量較大，為了確保數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要使鑲嵌線避開人工建筑，以確保DOM接邊的精度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 DEM生產(chǎn)

對(duì)于一些地理環(huán)境比較復(fù)雜的測(cè)繪目標(biāo)，需要借助于無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)構(gòu)建DEM（數(shù)字高程模型），以方便技術(shù)人員更加詳細(xì)的掌握測(cè)繪目標(biāo)的各種情況。DEM作為一種對(duì)實(shí)體物體的數(shù)字化模擬，不僅能夠體現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)情況的具體細(xì)節(jié)，例如道路、樹木和建筑等，而且可以根據(jù)工作需要，對(duì)這些虛擬模型進(jìn)行隨意的修改。雖然無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度能夠滿足工作需要，但是對(duì)于一些重疊、遮擋的情況，仍然需要技術(shù)人員運(yùn)用DEM技術(shù)，對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)和虛擬模型進(jìn)行人工編輯，這樣就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正無人機(jī)航拍影像資料的缺陷。此外，將DEM與BIM相結(jié)合，還能夠利用電腦軟件生成測(cè)繪區(qū)域的三維模型，并且利用無人機(jī)高分辨力的測(cè)繪數(shù)據(jù)，還原測(cè)繪目標(biāo)的細(xì)節(jié)，這也為提高無人機(jī)測(cè)繪的實(shí)用價(jià)值起到了支持。

3.4 動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)

動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，又稱PPK技術(shù)，其是一種GPS技術(shù)。PPK技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）外界影響環(huán)境??；（2）作業(yè)半徑大；（3）定位精度高。該技術(shù)對(duì)季節(jié)條件和氣候條件要求較小，最大作業(yè)半徑可達(dá)30km，其精確度可達(dá)到5mm。目前，PPK技術(shù)主要應(yīng)用于空中三角測(cè)量中。

3.5 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量也是無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)一種常見的技術(shù)，其應(yīng)用內(nèi)容主要包括對(duì)平差的計(jì)算、像點(diǎn)的匹配以及電測(cè)幾項(xiàng)內(nèi)容。像點(diǎn)匹配操作一般情況下都是由計(jì)算機(jī)所完成，當(dāng)然相關(guān)工作人員需要提前對(duì)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，之后將像點(diǎn)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，其就可以自動(dòng)完成對(duì)各個(gè)像點(diǎn)的匹配。無人機(jī)在實(shí)際飛行過程當(dāng)中，其姿勢(shì)會(huì)發(fā)生多種變化，所以拍攝角度也會(huì)不停地改變，這就造成測(cè)繪數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)誤差，在對(duì)這些測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候，可以采用像點(diǎn)匹配算法或者是迭代算法，這兩種算法可以有效降低高層誤差和平面位置誤差，從而有效提高測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.6 DLG生產(chǎn)

數(shù)字線劃圖（DLG），是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，且保存了各要素的空間關(guān)系信息和相關(guān)屬性信息。無人機(jī)航空攝影測(cè)量生產(chǎn)DLG主要過程包括在空三加密基礎(chǔ)上恢復(fù)立體像對(duì)、立體采集、外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)編輯成圖。DLG生產(chǎn)周期在數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)中最長(zhǎng)，其立體采集需要專業(yè)技術(shù)人員佩戴3D眼鏡通過專業(yè)立體電腦采集。目前無人機(jī)測(cè)繪中，DLG的應(yīng)用還具有一定的局限性，這主要是因?yàn)镈LG生成的圖形會(huì)受到地圖要素的影響，產(chǎn)生波動(dòng)變化。如果無人機(jī)多次測(cè)繪獲取的地圖要素存在較大誤差，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)字線劃圖中的坐標(biāo)發(fā)生改變，也就失去了參考價(jià)值。因此，下一步的技術(shù)發(fā)展方向，就是要提高無人機(jī)測(cè)繪精度，盡可能的消除干擾影響，將DLG的誤差控制在一定范圍之內(nèi)，提高其使用價(jià)值。

4 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

4.1 在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用

某地新發(fā)現(xiàn)一座礦山，為確保礦山開采安全，需要進(jìn)行無人機(jī)測(cè)繪。具體測(cè)繪步驟如下：首先，進(jìn)行無人機(jī)航線設(shè)計(jì)，通過航拍要獲取礦山的地形地勢(shì)、測(cè)區(qū)總面積、周圍交通等數(shù)據(jù)信息。根據(jù)礦山測(cè)繪需要，確定無人機(jī)飛行的具體參數(shù)，包括飛行高度、分辨率等。其次，做好地面控制工作，提前確定好若干個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，方便無人機(jī)搭載的高精度數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在完成第一次航拍后，地面控制人員可以對(duì)無人機(jī)反饋的拍攝信息進(jìn)行檢查。如果測(cè)繪數(shù)據(jù)達(dá)不到使用要求，需要調(diào)整無人機(jī)的拍攝角度、飛行高度，重新進(jìn)行拍攝，直到獲取足夠多的測(cè)繪數(shù)據(jù)。最后，將無人機(jī)收集到的測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析，得出礦山的具體信息，包括地勢(shì)特點(diǎn)、交通情況、植被覆蓋情況等，為下一步的礦山開采工作提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。

4.2 在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

將無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，不僅可以快速獲取航測(cè)影像，并且獲取的影像精度較高。因此，將無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，具有重要的價(jià)值，可以全面掌握環(huán)境污染情況，尤其是排污污染情況。另外，在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)還能應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)、濕地檢測(cè)以及固體污染物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

4.3 在國(guó)土測(cè)繪中的應(yīng)用

將無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用到土地資源管理工作中，可以有效提升我國(guó)土地資源的利用率，將其應(yīng)用到國(guó)土測(cè)繪工作中，可以使得相關(guān)工作人員更好地掌握我國(guó)目前土地資源的實(shí)際利用狀況，這對(duì)于國(guó)土部門的土地規(guī)劃方案制定具有非常重要的價(jià)值，可以使得規(guī)劃方案更加科學(xué)合理，符合我國(guó)實(shí)際國(guó)情。除此之外，無人機(jī)在國(guó)土資源中的應(yīng)用還實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)區(qū)域規(guī)劃工作也起著具有十分重大的意義。

4.4 在災(zāi)情救援中的應(yīng)用

近年來，我國(guó)各類自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，尤其是地震災(zāi)害。為在各類災(zāi)害發(fā)生后及時(shí)展開救援工作，將無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)情救援中有十分重要的作用。這主要是由于無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，可以快速且準(zhǔn)確地獲取災(zāi)區(qū)地段的影像?？傊?，將無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)情救援中，不僅為救援工作提供了便利，還提高了救援工作的效率，更為挽救災(zāi)區(qū)人民生命安全提供了支持。

5 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用研究

（1）工程概況。本工程為機(jī)場(chǎng)高速整治項(xiàng)目，為了確保工程的順利進(jìn)行，需要應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為后續(xù)的整治過程提供有效指導(dǎo)。在具體的應(yīng)用中，需要相關(guān)工作人員結(jié)合無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)區(qū)地形地貌的攝影測(cè)量，掌握測(cè)區(qū)內(nèi)拆遷面積及居民房屋情況等數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目的順利開展有重要的促進(jìn)作用。在本次地質(zhì)勘察過程中應(yīng)用了無人機(jī)航攝技術(shù)，形成DEM、DOM和DLG數(shù)據(jù)，獲得了分辨率較高的影響資料?？辈斓貕K有5塊，分別編號(hào)為A、B、C、D、E，其中，B地塊又被分為6個(gè)小區(qū)塊，C地塊又被分為2個(gè)小區(qū)塊，E地塊又被分為3個(gè)小區(qū)塊。（二）航線設(shè)計(jì)。測(cè)區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及采用設(shè)備情況錄入如表1所示。

（三）像控點(diǎn)布設(shè)測(cè)量。無人機(jī)測(cè)繪中，對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)重點(diǎn)放在像控點(diǎn)布設(shè)測(cè)量中，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，在開展像控點(diǎn)布設(shè)測(cè)量時(shí)，需要特別注意以下幾點(diǎn)：（1）由于本工程測(cè)區(qū)內(nèi)的像控點(diǎn)均為平高控制點(diǎn)，因此，為了確保測(cè)量精度符合標(biāo)準(zhǔn)，需要在測(cè)量時(shí)結(jié)合測(cè)繪資料和成圖精度要求，以此對(duì)平高控制點(diǎn)之間的跨度進(jìn)行控制；（2）本次測(cè)量中需要采用4條基線，同時(shí)對(duì)2條航線重疊位置需要布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)，為了確保測(cè)量精度，需要盡可能地減少各點(diǎn)位之間的范圍，以確保測(cè)量的順利進(jìn)行。（四）空三測(cè)量?？罩腥菧y(cè)量使用PixeGrid自動(dòng)空中三角測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施，在進(jìn)行空中三角測(cè)量前，首先需要做好充分的準(zhǔn)備工作，模型連接較差應(yīng)該采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，△S為平面位置較差，m；△Z為高程較差，m；m像為像片比例尺分母；fk為航攝儀焦距，mm；b為像片基線長(zhǎng)度。在對(duì)像控點(diǎn)平面精度進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制保證其與鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)平面之間的誤差，具體如表2所示。

在本工程的實(shí)際測(cè)量工作中，因?yàn)樯婕耙恍┚用穹课輪栴}，導(dǎo)致測(cè)繪圖像出現(xiàn)陰影，加之居民房屋隱蔽性較多，因此，為了確保最終的測(cè)繪精度，需要將平面誤差精度以及高程誤差精度放大。通常最終測(cè)量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以顯示出工程測(cè)區(qū)的空三加密精度，符合相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

利用無人機(jī)代替人工完成測(cè)繪工作，具有效率快、精度高、全天候的優(yōu)點(diǎn)。但是無人機(jī)測(cè)繪所得數(shù)據(jù)中，可能會(huì)包含一些失真的、畸變的或不完整的數(shù)據(jù)，需要利用專門的測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。這樣一來，才能為人們制定方案計(jì)劃和開展實(shí)際工作提供必要的參考，充分發(fā)揮無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土測(cè)繪等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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