淺談無人機航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用

◆張華陽 鮑健 王賽賽

淺談無人機航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用

◆張華陽 鮑健 王賽賽

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210000）

隨著我國社會經(jīng)濟、科學技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機航拍技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多個領(lǐng)域，并且取得了顯著的效果。在工程項目中，測量測繪工作作為其中的重要環(huán)節(jié)，對于其精度的要求也越來越高，在傳統(tǒng)的測量測繪工作中，常常存在因為人工問題而導致測量數(shù)據(jù)失真的情況，同時測量地形的復雜、工作量大導致工程進度受到限制，而通過無人機航拍技術(shù)能夠有效減輕工作人員的工作量，同時大幅度提升測量數(shù)據(jù)精準性。

無人機航拍技術(shù)；工程測量測繪；應(yīng)用

時代的不斷進行，就地質(zhì)工程方面而言，其工程準備階段和開展階段都進行到全新的局面，測量數(shù)據(jù)精準度要求更高、執(zhí)行更加嚴格。通過采用無人機航拍技術(shù)能夠?qū)⑼ㄟ^定位系統(tǒng)、拍攝技術(shù)、地面監(jiān)控系統(tǒng)對測量區(qū)域的數(shù)據(jù)進行精確的計算，從而有效提升測量工作的質(zhì)量和效率。

1 無人機航測系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段科學技術(shù)向著專業(yè)性、精密性的方向不斷發(fā)展，隨之無人機航測系統(tǒng)也形成了常規(guī)無人機航測與非常規(guī)無人機航測。

1.1 有關(guān)常規(guī)無人機航測系統(tǒng)組成

無人機航測遙感技術(shù)是集成遙感、遙控、航空測量為一體的新型測繪技術(shù)，并以數(shù)據(jù)信息快速處理平臺作為技術(shù)支持，對地物進行實時、快速的調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測。無人機平臺是配載控制系統(tǒng)和傳感器的飛行器，按照其機翼的形態(tài)分為兩種類型：旋翼和固定翼，在當前階段旋翼無人機比較受使用者的喜愛，因為其機身的構(gòu)造特點更加便于控制其飛行姿態(tài)。按照無人機的動力系統(tǒng)可以分為燃料型、電動型等。其遙感系統(tǒng)除飛行平臺以外還包括軟件和硬件的組成。慣性導航和飛行控制技術(shù)是對整個無人機飛行姿態(tài)以及所配載的有關(guān)配置加以管理控制的部分，主要的組成部分包括傳感器、慣導、接收機等，控制系統(tǒng)是整個無人機系統(tǒng)的核心技術(shù)，能夠?qū)o人機進行導航定位，在出現(xiàn)危險情況時能夠使無人機自動進入著落狀態(tài)并確保安全降落。小型的無人機飛行器在進行自動控制時，需通過傳感器對飛行器的速度、位置、姿態(tài)反饋信息加以收集，反饋信息來自不同傳感器。慣性測量模塊獲取姿態(tài)狀態(tài)，GPS技術(shù)獲取速度與位置信息，但是因為單一通過GPS技術(shù)和IMU難以達到數(shù)據(jù)高精準化，因此需要在傳感器系統(tǒng)中加入陀螺儀和氣壓計，并采取數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，從而確保無人機飛行器能夠安全、穩(wěn)定地進行飛行工作。傳感器相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)的主要功能是獲取信息數(shù)據(jù)，在無人機系統(tǒng)中常用傳感器有熱成像儀、氣象傳感器、CCD等敏感組件。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是指將傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息傳送至地面監(jiān)測系統(tǒng)，并確保在傳輸?shù)倪^程中數(shù)據(jù)能夠保持完整性和清晰度[1]。

1.2 非常規(guī)無人機航測系統(tǒng)

相比于常規(guī)無人機飛行器，非常規(guī)無人機飛行器造價成本較低，因為其使用方便、造價低、體積小，對于環(huán)境的要求比較低、具有智能化的特點逐漸由軍事領(lǐng)域拓展至多個行業(yè)的應(yīng)用，其特點主要有以下三點：第一，非量測相機，之所以無人機飛行器能夠得到廣泛的應(yīng)用，主要是因其配載的遙感設(shè)備已經(jīng)逐漸普遍，已經(jīng)不再是重量沉重、造價昂貴、小型飛行器無法配載量測相機。非量測相機因為其內(nèi)方位未知，因此其拍攝到的圖像沒有準確的位置關(guān)系，同時因為畸變系數(shù)性能不穩(wěn)定，因此無法直接對像位進行計算解析。現(xiàn)階段一般情況下通過處理軟件對相機的參數(shù)加以標定，然后對所獲取的數(shù)據(jù)信息進行處理，從而獲得圖像具體的幾個位置，但是在精度方面還需要加以提高。第二，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，因為無人機飛行器是需要通過遠程進行遙控的，因此根據(jù)測量攝影最低標準，規(guī)定的航向重疊度應(yīng)當高于53百分之，旁向的重疊度應(yīng)當高度15百分之，因為難以進行有效的控制，同時飛行器的飛行高度不能忽高忽低，同時因為非常規(guī)無人機飛行器重量輕、機身體積小，在空中容易受到氣流的影響、地形條件影響、攝影區(qū)域地物變化，因此在重疊度方面會出現(xiàn)誤差，特別是對于大比例影響圖進行制作時，對飛行姿態(tài)和航跡的控制較為困難，航向重疊度高于60百分之、旁向重疊度高于30百分之，無人機飛行器姿態(tài)角控制在正負三度以內(nèi)便能夠符合要求。按照微型無人機的特性，其旁向重疊度保持在35至55百分之之間、航向重疊度保持在70至85百分之之間、姿態(tài)角保持在正負10度即可，另外還需要確保三度重疊的部門滿足要求。如果無人機飛行器的姿態(tài)角不穩(wěn)定則會產(chǎn)生以下三點影響：首先，飛行器航跡會受到影響，發(fā)生改變；其次，航射儀定向和整平困難；最后，由于重疊度增大，導致等同面積攝影區(qū)域需要攝像更多照片進行覆蓋，進而造成計算量、處理任務(wù)增加。第三，因為無人機對電磁環(huán)境具有極高的要求，如果飛行區(qū)域周圍設(shè)置有高壓電網(wǎng)，那么其飛行路線和內(nèi)部程序會因電磁原因受到干擾，情況嚴重的話會導致飛行器墜毀，另外電磁干擾會對信息數(shù)據(jù)的傳輸和質(zhì)量造成影響。

2 無人機航空攝影測量系統(tǒng)組成

2.1 軟件系統(tǒng)

首先，航線軟件，航線軟件決定無人機系統(tǒng)的運行方向以及精準度，同時屬于信息收集關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要對作業(yè)范圍、地形的特點、精度、測量參數(shù)進行預(yù)先的設(shè)定，按照重疊度、行高、地面的分辨率能夠分析計算出無人機飛行的基線長度、曝光點等信息數(shù)據(jù)。其次，數(shù)據(jù)信息接收和處理軟件。此軟件是無人機系統(tǒng)進行測量外業(yè)最后一個環(huán)節(jié)，直接影響著圖像處理質(zhì)量。無人機在對地面影像進行獲取時，會受到外界以及內(nèi)部因素影響，為能夠確保圖像的質(zhì)量，通常會對原始拍攝影像加以預(yù)處理，比如圖像增強、圖像校正等[2]。

2.2 硬件系統(tǒng)

首先，機載系統(tǒng)，無人機航空測量技術(shù)的實現(xiàn)是將航空技術(shù)和測量技術(shù)、遙感技術(shù)、定位技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，其中無人機主要是用于對航空測量系統(tǒng)搭載，是作為一個平臺，確保整個系統(tǒng)能夠得到有效應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中主要包括，數(shù)字攝影、飛行控制、無人機、通信等系統(tǒng)。在進行測量工作時，首先對系統(tǒng)進行設(shè)置，之后系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)航線飛行，從而完成預(yù)設(shè)任務(wù)，并且將飛行的狀態(tài)、高度、氣象等情況傳送至監(jiān)控系統(tǒng)。其次，地面監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對飛行平臺能夠平穩(wěn)運行起到關(guān)鍵作用，包含電臺、計算機、電子通信、飛行控制等設(shè)備。工作時，無人機將收集到的數(shù)據(jù)信息傳送至監(jiān)控系統(tǒng)，并在地圖上顯示無人機位置、路線、速度、高度等參數(shù)，從而讓工作人員能夠?qū)o人機進行精確的控制。

3 無人機航拍技術(shù)優(yōu)勢

無人機航拍技術(shù)在滿足天氣因素的條件下，能夠在不同的區(qū)域加以應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的飛機配載攝像系統(tǒng)，無人機航拍技術(shù)具有更加突出的優(yōu)勢，在對無人機飛行器應(yīng)用時只需要確定起飛點和降落點即可進行測量測繪工作，有效解決了起飛降落需要較大場地的問題，在一定程度上降低了資金的消耗。相比于人工測量，無人機航拍技術(shù)更加高效、高質(zhì)，并且避免因為地質(zhì)情況復雜問題而造成的人員工作難以開展的問題，通過定位系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)對地貌進行拍攝，通過計算機處理分析，更高精度開展測量測繪工作[3]。

4 無人機航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用

應(yīng)用無人機航拍技術(shù)開展工程測量測繪工作前，首先需要對測量的區(qū)域和單位加以明確，對無人機的起飛位置、降落位置以及空間準備加以確定，確保測量測繪工作的順利開展，并通過充分的準備工作獲取準確的測量數(shù)據(jù)。

4.1 航線規(guī)劃和范圍確定

在一般情況下，無人機飛行器的飛行時間最長可達一小時，去除飛行器起飛和降落的時間，需要將飛行器實際飛行時間控制在50分鐘內(nèi)，避免因為飛行器能源耗盡而出現(xiàn)墜機情況，為能夠有效控制飛行器飛行時間，首先需要進行航線規(guī)劃工作，并對無人機測量測繪工作范圍進行合理的規(guī)劃，從而確保航空測量測繪工作的全面、完整。

4.2 構(gòu)建測量區(qū)域控制網(wǎng)

通過構(gòu)建區(qū)域控制網(wǎng)能夠?qū)y量測繪工作加以精細化，根據(jù)實際地測量面積構(gòu)建相應(yīng)范圍的控制網(wǎng)，并且在控制網(wǎng)范圍內(nèi)設(shè)定GPS基準點，從而構(gòu)建三維坐標系，通過坐標方式將區(qū)域內(nèi)各個點方位信息加以表述，有助于后期對信息數(shù)據(jù)進行處理。另外需要注意的是，在此過程中需要確保路線計算和坐標點設(shè)置的準確性，避免因為設(shè)置錯誤問題而影響測量測繪工作整體進度。

4.3 數(shù)據(jù)處理

無人機航拍技術(shù)具有準確性、靈活性，在數(shù)據(jù)信息勘查處理的過程中，相關(guān)測量測繪工作人員需要在航拍技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，對高度匹配計算設(shè)備加以應(yīng)用，在DSM自動提取基礎(chǔ)上，對重疊影響進行高效的處理，實現(xiàn)三維地表繪制。需要注意為了能夠合理地控制數(shù)據(jù)信息處理的精度，測量測繪工作人員需要將測量的數(shù)據(jù)與原始信息數(shù)據(jù)加以比對，在數(shù)據(jù)校正、航拍驗證基礎(chǔ)上，有效提高無人機航拍質(zhì)量。

4.4 繪制地圖

對無人機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息加以分析建模，應(yīng)用三角測量系統(tǒng)構(gòu)建立體模型，將信息數(shù)據(jù)帶入，得到核線影像，對圖像進行編輯，按照比例對結(jié)果加以確定。另外在數(shù)字地圖繪制的過程中還需要將一些細節(jié)部分放大標注，然后進行驗證確保測量信息的準確性，最后繪制相應(yīng)的數(shù)字地圖。

5 無人機航拍技術(shù)改進措施

為確保無人機航拍技術(shù)在測量測繪工作中得到有效的應(yīng)用，保證測量數(shù)據(jù)的準確性，需要測量單位加強對相關(guān)工作人員技能素質(zhì)的提升，確保其在能夠?qū)o人機航拍技術(shù)加以熟練的應(yīng)用，并且培養(yǎng)其故障診斷能力，從而有效避免因為無人機存在故障而強制飛行帶來的損失。相關(guān)的無人機廠家應(yīng)當根據(jù)現(xiàn)階段市場的需求對無人機的飛行性能進行改進，例如在續(xù)航、攝影等方面進行提升，相關(guān)的廠家可以通過和國內(nèi)外的知名攝像、發(fā)動機、電池廠家互相合作，從而有效提升無人機飛行器的硬件性能。另外，對于軟件方面相關(guān)的開發(fā)人員應(yīng)當對無人機使用過程中存在的一些漏洞加以完善。使無人機能夠在更多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。

6 總結(jié)

綜上所述，在當前階段，無人機航拍技術(shù)在地質(zhì)工程測量測繪中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了很大的成就，但是因為天氣、氣候因素的影響還存在一些問題需要解決，需要相關(guān)的科研人員和生產(chǎn)商根據(jù)問題加以進一步的研究，從而使無人機航拍技術(shù)得到更高效應(yīng)用。

[1]他光平.無人機遙感數(shù)據(jù)處理及其精度評定[D].蘭州交通大學，2016.

[2]林仁超.無人機航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用[J].城市地理，2017（22）：126-127.

[3]陸麗紅.無人機航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用[J].資源信息與工程，2016，31（04）：109-110.