多旋翼無人機(jī)堆狀體航空攝影測(cè)量探討

孫波

（山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250013）

0 引言

無人機(jī)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展比較迅速，但傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)的應(yīng)用中有著一些不足之處，對(duì)于航空攝影測(cè)量的要求無法得到充分有效滿足。而多旋翼無人機(jī)堆狀體航空攝影測(cè)量技術(shù)的運(yùn)用，就能對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)不足之處得到很好的彌補(bǔ)，從而保障了測(cè)量的質(zhì)量。

1 多旋翼無人機(jī)應(yīng)用情況及堆狀體測(cè)量的特征

1.1 多旋翼無人機(jī)應(yīng)用情況

從當(dāng)前我國(guó)的多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用情況了解到，在諸多的領(lǐng)域中應(yīng)用發(fā)揮著比較重要的作用，如在環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中應(yīng)用所起到的作用比較突出，采用多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用能夠運(yùn)用無線遙感遠(yuǎn)程操作，這就能降低工作的難度，也能避免發(fā)生人員的安全事故，工作當(dāng)中通過結(jié)合多旋翼無人機(jī)發(fā)出的信號(hào)接收以及判斷，就能為有助于環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的良好推進(jìn)[1]。另外，多旋翼無人機(jī)在軍用層面的應(yīng)用也發(fā)揮著比較重要的作用，主要是在軍事突襲環(huán)境中比較適用，通過進(jìn)行遠(yuǎn)程操作完成突襲的任務(wù)，能夠起到比較突出的效果作用。多旋翼無人機(jī)應(yīng)用在低空偵查方面以及信號(hào)干擾方面進(jìn)行應(yīng)用也能起到積極作用，如在低空的偵查當(dāng)中能夠?qū)崿F(xiàn)低空監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，對(duì)于能見度低的環(huán)境下拍攝有著良好的效果。

1.2 堆狀體測(cè)量的特征

堆狀體的形成主要是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中的原料堆積形成，對(duì)于堆狀體進(jìn)行測(cè)量有著很大的難度，由于堆狀體的形狀是不規(guī)則的，占地面積也比較大，周邊的環(huán)境相對(duì)比較惡劣，所以在具體的測(cè)量時(shí)候不能迅速采集堆狀體表面特征點(diǎn)，無法有效實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的效果，在具體的測(cè)量中所消耗的人力以及物力成本是比較高的[2]。堆狀體的周邊環(huán)境相對(duì)復(fù)雜惡劣，使得測(cè)量的時(shí)候不能有效通視，人員進(jìn)入實(shí)地進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候就有著比較大的安全威脅，測(cè)量的難度比較大。傳統(tǒng)的堆狀體的測(cè)量主要是通過卷尺丈量以及皮帶秤測(cè)量，煤場(chǎng)儲(chǔ)量自動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用等。

1.3 測(cè)量可行性

（1）技術(shù)可行性。多旋翼無人機(jī)進(jìn)行堆狀航空攝影測(cè)量有著其可行性，現(xiàn)階段我國(guó)的無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的水平比較高，通過多旋翼無人機(jī)技術(shù)的運(yùn)用下能夠獲得影響的技術(shù)已經(jīng)成熟，具備迅速采集特征的技術(shù)能力。從載重的層面來看，無人機(jī)的載重最高能夠達(dá)到9kg，而最新的研究成果表明有望達(dá)到30kg，所以在隨著無人機(jī)技術(shù)的水平不斷提高下，對(duì)于測(cè)量堆狀的優(yōu)勢(shì)就能愈來愈凸顯出來。而無人機(jī)的續(xù)航層面是采用燃油和鋰電池的方式，不同的續(xù)航方式有著其各自的特點(diǎn)，如燃油的是固定翼無人機(jī)，續(xù)航能力強(qiáng)，能夠達(dá)到兩三個(gè)小時(shí)。而鋰電池類型的主要是旋翼機(jī)，續(xù)航能力相對(duì)薄弱，通常不超過40min。多旋翼無人機(jī)在堆狀體測(cè)量方面的技術(shù)要求以及標(biāo)準(zhǔn)方面也有其可行性，主要從幾個(gè)層面進(jìn)行闡述，如從航線的設(shè)計(jì)上要結(jié)合規(guī)范要求設(shè)計(jì)以及結(jié)合高程基準(zhǔn)面進(jìn)行確定。而從攝影時(shí)間層面來看，選擇地形條件不同時(shí)間也不同。飛行質(zhì)量的要求比較嚴(yán)格，在諸多環(huán)節(jié)都要加強(qiáng)重視，如片旋偏角要小于15°，旋偏角要在30°內(nèi)等。飛行的質(zhì)量需要保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確以及層次豐富，有著柔和的色調(diào)和清晰的地形地物。

（2）安全可行性。從安全的層面來看也有著可行性，我國(guó)當(dāng)前在無人機(jī)技術(shù)方面已經(jīng)有著很高的水平，但無人機(jī)升空之后會(huì)存在諸多不確定性，這就會(huì)容易發(fā)生安全的問題。多數(shù)的民用幾個(gè)無人機(jī)飛行器是采用旋翼機(jī)以及大型航模進(jìn)行改造的，氣動(dòng)外形動(dòng)力裝置等方面的安全和軍用無人機(jī)有比較大的差距，無人機(jī)航天飛行器在感知避讓層面還處在起步，在發(fā)生突發(fā)狀況的時(shí)候不能準(zhǔn)確迅速反應(yīng)。無人機(jī)的操控人員自身要有相應(yīng)專業(yè)知識(shí)，并能夠?qū)ο嚓P(guān)的法律等方面有一定的認(rèn)識(shí)。

2 多旋翼無人機(jī)堆狀體航空攝影測(cè)量的實(shí)施

2.1 無人機(jī)獲得航空攝影關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)進(jìn)行對(duì)堆狀體航空攝影當(dāng)中所運(yùn)用到的關(guān)鍵技術(shù)比較多，無人機(jī)上多是搭載普通數(shù)碼相機(jī)，所以獲得的影像常常會(huì)有畸變，徑向變形比較突出的原因是曲率誤差所致，裝配誤差造成偏心變形以及切向變形，對(duì)畸變進(jìn)行矯正就顯得比較重要，主要是對(duì)畸變參數(shù)進(jìn)行改正。無人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)以及測(cè)量的過程中，需要從多方面加強(qiáng)重視，如在無差分GPS 無人機(jī)像控點(diǎn)的布設(shè)以及測(cè)量以及帶差分GPS 無人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)測(cè)量[3]。而從立體影像的匹配技術(shù)運(yùn)用方面也是比較關(guān)鍵的，該技術(shù)的應(yīng)用主要是在計(jì)算機(jī)視覺取代人工觀測(cè)獲得同名像點(diǎn)，這是提取影響匹配的重要步驟，進(jìn)行影響匹配的時(shí)候主要是通過相應(yīng)的算法進(jìn)行優(yōu)化，其中涉及差平方和法以及協(xié)方差函數(shù)法等。

2.2 測(cè)量實(shí)施

多旋翼無人機(jī)堆狀體航空攝影測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用中，以煤堆狀體的測(cè)量為例，進(jìn)行測(cè)量的過程中需要按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程操作，嚴(yán)格遵循規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，從而有助于提升測(cè)量的規(guī)范性。測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用中按照《1:500，1:1000，1:2000 比例尺地形圖航空攝影規(guī)范（GB 6962—2005）》以及《1:500，1:1000，1:2000 航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范（GB/T 7931—2008）》和《航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T 19294—2003）》進(jìn)行相應(yīng)的操作，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量當(dāng)中按照和當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)相結(jié)合。運(yùn)用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行航攝任務(wù)一個(gè)架次，獲得30 多張?jiān)嫉臄z影數(shù)據(jù)，在完成攝影后進(jìn)行檢查，查看測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量[4]。

實(shí)際測(cè)量過程中對(duì)多旋翼無人機(jī)測(cè)量應(yīng)用要注重像控點(diǎn)的科學(xué)化布設(shè)，從整體上保障布設(shè)的方案質(zhì)量，堆狀體的中間區(qū)域不能實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)布設(shè)的工作，可對(duì)四周進(jìn)行均勻布設(shè)像控點(diǎn)。而進(jìn)行選點(diǎn)以及刺點(diǎn)的實(shí)施中，選擇像控點(diǎn)要能明確分辨地物物交角，選刺的時(shí)候要注重做好臨時(shí)的標(biāo)記這樣能夠有助于后續(xù)的外業(yè)核查，測(cè)區(qū)存在高層建筑的時(shí)候就要注意，不能選高層建筑物樓角，建筑物和地面高差大會(huì)使得GPS 高程存在很大的誤差，所以對(duì)測(cè)量的精度就會(huì)產(chǎn)生很大程度的影響。在進(jìn)行選擇像控點(diǎn)的時(shí)候就要注重以明確分辨地物為基礎(chǔ)要求[5]。測(cè)量中對(duì)影像控制點(diǎn)外業(yè)聯(lián)測(cè)的時(shí)候，注重GPS 和RTK 進(jìn)行結(jié)合起來，對(duì)各像控點(diǎn)坐標(biāo)信息加以明確。最終測(cè)量得到的結(jié)果，空三加密的作業(yè)是在運(yùn)用多旋翼無人機(jī)航攝進(jìn)行獲得相應(yīng)的影像信息，然后運(yùn)用無人機(jī)影像數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理軟件的應(yīng)用，做好影像數(shù)據(jù)平差結(jié)算的操作，最后得到相應(yīng)的質(zhì)量報(bào)告Bundle BlockAdjustment details 的數(shù)據(jù)為 224613，Number of 3D points for Bundle Block－Adjustment 的數(shù)據(jù)為 89023，Mean reprojection error 的數(shù) 據(jù)為0.386619[pixels]，通過獲得的報(bào)告能夠看到，最終的平均重投影的誤差是0.386619 個(gè)像素，這對(duì)空三作業(yè)的要求是相符合的。通過質(zhì)量報(bào)告的信息就能對(duì)重疊影像進(jìn)行展開分析[6]。

另外，進(jìn)行DEM 制作的過程中，從幾個(gè)方面要加強(qiáng)重視，獲得測(cè)區(qū)密集點(diǎn)云是比較重要的環(huán)節(jié)，空三加密作業(yè)能獲得影像數(shù)據(jù)各連接點(diǎn)三維坐標(biāo)和外方位元素，生成完整的DSM 就要做好稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施加密處理，采用Patch-based Multi-view Stereo 算法的方式能夠?qū)ο∈椟c(diǎn)云進(jìn)行擴(kuò)展，從而能夠生成密集點(diǎn)云，還可采用Semi Global Matching 的算法方式獲得密集點(diǎn)云，此次試驗(yàn)中采用后者方法。為能夠?qū)Χ洋w進(jìn)行有效測(cè)量，對(duì)多旋翼無人機(jī)測(cè)量的精度進(jìn)行測(cè)量，通過人工卷尺以及激光掃描煤儀器的方式實(shí)施測(cè)量。對(duì)以上獲得的原始影像做好內(nèi)業(yè)處理的相應(yīng)工作，制作DEM，項(xiàng)目生成結(jié)果主要是對(duì)煤堆體測(cè)量，這就要采用矢量化方式把煤堆體區(qū)域提取，然后在運(yùn)用所生成的DEM 做好體積的計(jì)算工作，從幾個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)施，CASS 矢量化，方格網(wǎng)的方法來算出不規(guī)則煤堆體的體積。通過這樣的方式就能對(duì)煤堆體的測(cè)量精度進(jìn)行計(jì)算。通過多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用下對(duì)堆狀體實(shí)施測(cè)量，在實(shí)踐的操作當(dāng)中有著其可行性，有著比較突出的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

總而言之，對(duì)于當(dāng)前的多旋翼無人機(jī)堆狀體航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用過程中，由于涉及的內(nèi)容環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，這就需要從不同的角度進(jìn)行考慮和優(yōu)化，注重保障攝影測(cè)量的質(zhì)量得以有效控制，保障各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)的實(shí)施操作的質(zhì)量。