智能化技術下的無人機大面積地形圖測繪研究

張輝

（梅河口市城市規(guī)劃服務中心）

1 引言

目前利用航空技術確保國家安全成為國際競爭的重要課題?？s短各種地形圖更新周期是測繪工作面臨的新挑戰(zhàn)。遙感衛(wèi)星平臺受運行周期限制，微波遙感應用不能替代紅外遙感作業(yè)。無人機航攝系統(tǒng)具有受天氣條件影響小等特點。無人機航攝系統(tǒng)可獲取不同分辨率影像，無人機航攝系統(tǒng)受到測繪領域的認同，廣泛應用于電力維修等領域。但無人機航測系統(tǒng)存在一定缺陷，如目前測繪領域搭載非量測數(shù)碼相機，影響對影像數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理精度。必須研究無人機航攝影像制作大面積地形圖高程精度。使無人機航攝影像數(shù)據(jù)廣泛應用于大面積地形圖測繪，災害區(qū)域分析等領域。

2 無人機航攝測繪概述

無人機是利用無線電遙控設備控制裝置操作的不載人飛機，最早的用于軍事偵察活動。90年代無人機快速發(fā)展，由于無人機成本低等特點，使其應用范圍擴大到民用領域。50年代我國開始研制無人機，一些企業(yè)進入無人機平臺生產(chǎn)領域，無人機飛行平臺搭載非量測數(shù)碼組成攝影測量系統(tǒng)，改善了測繪工作方式。

無人機攝影測量主要用于地理數(shù)據(jù)快速獲取，系統(tǒng)組成包括飛行平臺等。無人機航測系統(tǒng)分為任務荷載設備，影像處理系統(tǒng)等[1]。數(shù)字影像具有直觀、形象、現(xiàn)勢性強等特征。數(shù)字影像處理包括數(shù)字圖像轉換、多源信息復合等類型。影像預處理是控制圖像噪聲的關鍵步驟。無人機航攝系統(tǒng)獲取影像中受到外界因素的影響，搭載的非量測數(shù)碼相機存在鏡頭畸變，圖像噪聲產(chǎn)生是隨機過程，噪聲干擾信號隨機產(chǎn)生，噪聲主要形式有瑞麗噪聲等。采用濾波處理去噪信號方法包括空域、頻域濾波。

無人機分為固定翼與多旋翼無人機，固定翼無人機可通過參數(shù)設置規(guī)劃飛行路線。固定翼無人機按事先規(guī)劃的路線飛行，操作簡便，不需助跑即可起飛，可持續(xù)1h遠距離飛行。固定翼無人機對降落地無特殊要求。多旋翼無人機主要由電機、機架等組成，其他設備需要有遙控設備等，可通過控制系統(tǒng)發(fā)出命令改變飛行狀態(tài)。無人機飛行平臺航攝影像不同于傳統(tǒng)航攝影像，無人機航攝系統(tǒng)特點包括搭載非量測數(shù)碼相機，基高比小等。

3 無人機航攝測繪地形圖技術流程

無人機技術是由飛行平臺載體構成的高科技航空信息系統(tǒng)，主要用于搶險救災，獲取地下底層等方面信息。無人機航測技術具有適用地形廣泛，使用機動靈活等優(yōu)勢[2]。2005年我國研制的高端無人機遙感系統(tǒng)首飛實驗成功，系統(tǒng)集成等方面達到實用化水平。國家測繪局發(fā)布無人機航測要求測繪標準包括《無人機航攝安全作業(yè)要求》等。

無人機航攝系統(tǒng)影像獲取處理不同于傳統(tǒng)航空數(shù)碼影像。在開展大面積地形圖制作工作中，利用POS數(shù)據(jù)建立航帶內(nèi)，對區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部拓撲關系預設，根據(jù)建立拓撲關系提取連接點。實際應用中，應選用硬件技術較高的無人機設備。由于我國無人機軟件研發(fā)不成熟，導致測繪中地形起伏較大地區(qū)測圖精度較低，影響最終測繪結果精準度。無人機航攝硬件設備影響信息處理系統(tǒng)，硬件設備包括地面監(jiān)控設備、飛行控制系統(tǒng)等，處理視頻影像包括DEM及數(shù)據(jù)影像處理系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理等功能。無人機航攝系統(tǒng)測繪大面積地形圖流程包括像片控制，圖像預處理，空中三角測量等。像片控制是無人機航測大面積地形圖重要部分，像控點在航線需要10條基線布置，通常使用全站儀測繪。

由于無人機拍攝數(shù)碼相機畫幅較小，未經(jīng)預處理圖像變形為后續(xù)工作產(chǎn)生影響，需要圖像預處理技術達到良好測量精度。無人機航攝圖像預處理方法分為噪聲去除與鏡頭畸變校正法。圖像拍攝中受到噪聲信號干擾，通過濾波處理可去掉圖像噪聲信號，經(jīng)過傅里葉變換成頻域信號，經(jīng)過逆向傅里葉變換，通過處理得到濾波后圖像。鏡頭畸變由于圖像位置與坐標偏離產(chǎn)生，對設置高精度點空間坐標控制場拍攝，根據(jù)共線放出推到圖片原始坐標。

4 無人機航攝測繪在大面積地形圖中的應用

無人機航攝系統(tǒng)利用航攝儀進行遠程攝影，通過航攝儀特有工具將獲取圖像進行處理，通過航攝系統(tǒng)將其測繪，無人機特點是可進行圖像傳遞，為地質勘察提供方便[3]。測繪大面積地形圖是通過測量確定地形形狀，根據(jù)獲取信息進行繪制，選取大比例尺是因為無人機航攝系統(tǒng)探測地形范圍大，確定比例后體現(xiàn)繪制圖的實用價值。

以快眼-III無人機為航攝平臺，對某煤礦進行大面積地形圖快速測繪，得到1:5000正射影像圖，通過對航空攝影質量、地形圖成果質量檢查，表明成果符合國家測繪產(chǎn)品質量要求。

項目區(qū)為山西某集團下屬煤礦，項目建立在國家統(tǒng)一測繪基準，生產(chǎn)作業(yè)按國家技術標準執(zhí)行。采用先進的快眼III無人機數(shù)字測繪航攝系統(tǒng)，無人機平臺包括NCG-2增強型飛控系統(tǒng)、三軸云臺自穩(wěn)系統(tǒng)，專業(yè)備用系統(tǒng)。最大起飛重量28kg，續(xù)航時間3h，最大飛行速度150km/h，相機為2100萬pixel數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

像片控制采用內(nèi)業(yè)布點，采用山西GPS CORS網(wǎng)進行實時時差分測量，采用南方靈銳H82RTKGPS實測像控點位。測完后進行外業(yè)調繪，外業(yè)調繪以看到為原則調繪，調繪性質數(shù)量，外業(yè)調繪用相應符號表示，最后內(nèi)業(yè)清繪整飾。 空三加密采用ATMatrix，外業(yè)提供控制測量成果，成圖比例尺為1:2000使加密精度為：內(nèi)業(yè)加密點對平面位置中誤差為1.75m.基于無人機低空影像生產(chǎn)DEM技術不斷成熟，基于全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)Map Matrix，對每個像按5m格網(wǎng)間距生成DEM分別編輯，根據(jù)DEM對數(shù)字化航空像片進行數(shù)字微分糾正得到正射影像，不同像對圖廓裁切，圖廓整飾等步驟，生成1:5000數(shù)字正射影像圖DOM。

經(jīng)上述工作流程處理，得到局部正射影像圖，1:2000地形圖，為使后續(xù)工作順利完成，需對獲取影像質量評價，經(jīng)主觀目視評價產(chǎn)生項目區(qū)正射影像層次豐富，彩色色調柔和，相同地物色彩一致，滿足遙感影像反差適中要求。采用高程二次定向，可使最終航測成果滿足航測規(guī)范精度要求，獲取地形圖地貌表示細致，高程點位符合要求，外業(yè)利用礦區(qū)提供近井點采用全站儀散點法打點方式對地形圖實測檢查，高程精度滿足規(guī)范對地形圖成圖要求。

5 結語

隨著我國航天技術的快速發(fā)展，無人機應用范圍不斷擴大。無人機以其靈巧、易操作等特點，成為航攝地形圖的重要技術。無人機航攝存在一些缺陷，需要相關人員提高無人機航攝技術。我國各領域應用無人機技術，一些成熟的地理空間信息測繪計算機普遍應用航空攝影測量技術等，在設備測繪精度等方面具有各自優(yōu)勢，可以綜合應用相關技術，更好地為地理地形圖測繪提供幫助。隨著我國對無人機技術要求提升，相關測繪單位應致力于研發(fā)新型無人機，滿足我國地形圖測繪工作的要求。