淺析無人機航測在國土資源測繪中的應用

摘要：無人機航測是對傳統(tǒng)航空攝影測量、攝影測量與遙感等測繪手段的有力補充，具有機動靈活、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。無人機與航空攝影測量相結(jié)合使得“無人機數(shù)字低空遙感”成為航空遙感領(lǐng)域的一個嶄新發(fā)展方向，在基礎測繪、土地利用動態(tài)監(jiān)測、智慧城市建設等方面具有廣闊前景。相比傳統(tǒng)測量，無人機航測作業(yè)成本更低、效率更高、時效性更強，深受測繪行業(yè)的歡迎，在國土資源測繪中應用也越來越廣泛。

Abstract： UAV aerial survey is a powerful supplement to traditional aerial photogrammetry， photogrammetry， remote sensing and other surveying and mapping methods. It has the characteristics of flexible maneuverability， low operating cost， wide application range and short production cycle and it has obvious advantages in fast acquisition of high-resolution images in small areas and difficult-to-flight areas. The combination of drones and aerial photogrammetry makes "UAV digital low-altitude remote sensing" become a new development direction in the field of aerial remote sensing， which has broad prospects in basic surveying and mapping， land use dynamic monitoring and smart city construction. Compared with traditional surveys， UAV aerial survey is more economic， more efficient and more time-sensitive， so it is well received by the surveying and mapping industry and is increasingly used in land and resources surveying and mapping.

關(guān)鍵詞：無人機航測;國土資源;測繪;應用

Key words： UAV aerial survey;land resources;surveying and mapping;application

中圖分類號：P231??????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0236-02

0? 引言

無人機航測是指采用多旋翼、固定翼的無人飛行器平臺，搭載單鏡頭、多鏡頭的相機傳感器，以及小型機載雷達等，進行無人機測量的一種先進測繪技術(shù)手段。無人機航測系統(tǒng)由無人機載體、飛行控制系統(tǒng)、影像獲取設備、數(shù)傳系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、地面接收終端、數(shù)字攝影測量工作站和地面遙控裝置組成。在數(shù)據(jù)采集階段影像曝光的瞬間，飛行控制系統(tǒng)采集了像主點曝光瞬間的位置信息、姿態(tài)信息、影像參數(shù)等;將這些信息通過數(shù)傳系統(tǒng)和圖傳系統(tǒng)傳輸給地面設備;飛行完成后利用影像數(shù)據(jù)預處理檢查數(shù)據(jù)的準確性和完整性，對不符合要求的數(shù)據(jù)實施補飛或重飛。

1? 無人機航空攝影測量技術(shù)

無人機航測系統(tǒng)又稱為無人機駕駛航空器系統(tǒng)。在無人機航空攝影測量之前，有必要了解一下其基本技術(shù)指標和要求：①獲取能用于立體測量的真彩色數(shù)字影像;②按0.1m地面分辨率進行飛行設計，獲得的影像滿足1：1000比例尺的DLG、DEM和DOM的成圖精度要求;③配置高精度動態(tài)GPS接收機，通過后差分技術(shù)計算得到機載GPS軌跡;④航向重疊度是60～80%，旁向重疊度是15～60%;本項目用的無人機是成都縱橫大鵬無人機科技有限公司生產(chǎn)的大鵬無人機（型號為CW-10SONYA7R相機一套）和2臺大疆PHANTOM4RTK無人機。該無人機外業(yè)工作流程為圖1。

2? 無人機航測在國土資源測繪中的主要應用

2.1 無人機航測在國家各專業(yè)職能部門中的廣泛應用

如，供電局可以進行無人機線路巡檢，大大提高了工作效率;交通局可以通過無人機實時調(diào)動，結(jié)合空間地理信息基礎測繪數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控道路狀況;農(nóng)業(yè)局可以通過無人機的航線規(guī)劃，對大面積的農(nóng)作物進行噴灑農(nóng)藥，可有效預防各種大面積的病蟲害;水利局通過專業(yè)無人機進行航測，可及時對江河航道進行勘察，有效監(jiān)測各種地質(zhì)災害等;國土自然資源方面通過無人機航測，可進行各種地質(zhì)災害勘查的實時監(jiān)測，有效及時地應對各種自然災害等。

2.2 正射影像圖（DOM）生成

Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司生產(chǎn)的全自動快速無人機數(shù)據(jù)處理軟件，它可以將很多張影像快速制作成精確的二維地圖和三維模型，Pix4Dmapper能從航拍片中快速獲取點云數(shù)據(jù)，并且進行后期的加工處理，獲得高精度的正射影像圖用于水利工程中的河湖管理。Pix4Dmapper生成正射影像圖的過程是：①先導入照片和pos進行快速拼接，快速拼接的質(zhì)量報告可以查看外業(yè)飛行數(shù)據(jù)的質(zhì)量;②導入控制點進行空三加密;③選擇初始化處理進行平差，結(jié)果可以查看控制點精度是否滿足規(guī)范要求;④選擇接下來的兩個選項：點云和紋理以及DSM、正射影像和指數(shù)，最終生成DSM和DOM。后期可以將DSM與DOM導入到EPS中進行裸眼畫圖。

2.3 城市低空無人機航測精度控制分析

隨著近年來無人機技術(shù)的成熟和發(fā)展，低空無人機越來越廣泛的應用在航測、攝影、巡檢等多個領(lǐng)域，極大的增強了工作效率，為社會提供了新的系統(tǒng)解決方式。因此，航測也是隨著低空無人機發(fā)展興起的一門學科，即通過遙感器這類對電磁波敏感的儀器，在遠離目標和非接觸目標物體條件下探測目標地物，獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，并進行提取、判定、加工處理、分析與應用的一門科學和技術(shù)，稱為遙感科學。簡單說就是利用無人機對地面地形和相關(guān)的設備設施進行精確的定位和建模。所以在航測過程中，精度的控制影響著最后成像的效果，建模的準確度，好的成像和建模能夠有效的指導實際的工作。

2.4 補測操作的應用

應用無人機航測技術(shù)對地測展開測量，需要相關(guān)人員對測量盲點引起重視，對測量區(qū)域進行充分的考慮，然后根據(jù)區(qū)域位置科學的進行設計。為了讓盲區(qū)測量數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)任何遺漏，就需要反復對比無人機航測技術(shù)所獲得的地測數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)遺漏就要進行補測，只有這樣才能提高地測的質(zhì)量和完善地測數(shù)據(jù)。除此之外，要想更好的處理測量誤差和降低誤差的出現(xiàn)，就要預訂參數(shù)和操作模式，這樣才能提高地測工作質(zhì)量，讓無人機航測技術(shù)有效應用。

2.5 DOM工藝的應用

DOM主要是把無人機航拍回來的數(shù)字化圖片和不同階段的影像進行樣本采集，然后糾正其他影像因素而產(chǎn)生的失真問題，使得這些正射影像圖能夠更標準。具體操作就是無人機通過低空拍攝對信息數(shù)據(jù)進行相關(guān)收集，在完成這個步驟后，就要展開相應的定向操作，而一般情況下，定向操作主要分為三種，即內(nèi)定向、相對、絕對定向，通過這三種方式來糾正數(shù)據(jù)和鑲嵌影像，最后在進行檢查，從而形成DOM成果。

2.6 可靠性分析

項目采用無人機航測技術(shù)，通過影像鑲嵌和裁切對DOM進行分塊;再根據(jù)分好的DOM和DEM數(shù)據(jù)對航空攝影數(shù)據(jù)進行柵格數(shù)據(jù)的矢量化。通過實測對比檢查可知，利用該方法生產(chǎn)的地形圖精度符合1∶1000比例尺地形圖測圖要求，地物地貌特征與實地一致，比傳統(tǒng)地形圖測量手段獲取了更多的細部點。除了效率有極大提高外，該方法還得到了測區(qū)的DOM和DEM，更加有利于項目后期的規(guī)劃設計工作，受到了業(yè)主的好評。

3? 基于FullResolution方法的影像匹配

全數(shù)字攝影測量的基礎是影像匹配。眾所周知，影像都有灰度值，先將影像各點的灰度值轉(zhuǎn)換為整數(shù);再對相片有可能出現(xiàn)的最大灰度變化范圍進行等分;然后每隔一個間隔獲取一個點的灰度值進行準確采樣，對實際連續(xù)函數(shù)模型進行離散化量測;最后利用數(shù)字影像內(nèi)定向確定地面坐標系與相片坐標系的關(guān)系。無人機采用最小二乘匹配算法，利用計算機對數(shù)字影像進行數(shù)值計算的方式完成影像匹配。利用法方程式系數(shù)矩陣的逆矩陣求得其精度指標，再引入變換參數(shù)作為待定值，一同納入到最小二乘解算中，使匹配可達1/10像素的精度（子像素精度）。天寶無人機航測系統(tǒng)采用UASMaster軟件進行數(shù)據(jù)后處理，采樣點方面用FullResolution（1/10像素精度）模式可改善精度指標。精細分割像素增加了提點數(shù)量，雖然耗時長但精度提高了一倍。

4? 硬件系統(tǒng)的配合，提升測繪精度

無人機巡航速度的選擇，低空無人機的速度越大，震動越大，對航測精度的影響也就越大，但是在實際的操作過程中，最重要的是巡航的安全，所以巡航速度需控制在最安全的巡航速度，而不是越小越好，然后通過提高快門速度來降低在巡航中震動以及便宜的影響。實際航測過程中，盡量選擇快門速度大于1/1000秒，以減少低空無人機震動帶來的影響，同時能減小無人機因為巡航速度帶來的位移偏差。另外，快門速度也需根據(jù)實際航測時地面的分辨率進行調(diào)整，如果地面分辨率在0.05米，巡航速度在25米每秒，這時需選擇1/1000的快門速度，其余的要根據(jù)實際情況進行測算。

5? 結(jié)語

總之，無人機具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。無人機與航空攝影測量的結(jié)合，使得無人機數(shù)字低空航空攝影測量成為大比例尺航測流行的技術(shù)解決方案。數(shù)字航空攝影測量通過算法的改進可有效提高影像匹配和模型連接的精度，為后期DOM制作提供了幾何精度更高、效果更清晰、地理信息更完整的模型數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)地形測量需要投入大量人員，耗時長、效率低，且由于其對作業(yè)員經(jīng)驗的要求較高，經(jīng)驗少的作業(yè)員在地形外業(yè)測量時容易漏測，成果整理時容易記錄不完整。無人機航測可實現(xiàn)全覆蓋采集、數(shù)字化成圖，既保證了質(zhì)量，又能大幅提高效率，優(yōu)勢明顯。隨著無人機航測技術(shù)的不斷進步，續(xù)航能力、飛行精度和穩(wěn)定性、智能規(guī)劃航線和開發(fā)專題應用軟件等技術(shù)的提高，將進一步提高無人機航測的精度，并能在交互式巡查、智能化抓取、動態(tài)檢測等領(lǐng)域不斷延伸和擴展。無人機航測在民用領(lǐng)域中、國家各專業(yè)職能部門國土自然資源測繪等多方面得到了廣泛應用。在未來，無人機航測在自然資源測繪中的應用會更加深入、更加全面，會創(chuàng)造更大的社會效益和經(jīng)濟價值。

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作者簡介：殷行（1985-），男，黑龍江雞西人，中級職稱，研究方向為航測。