無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用分析

王衛(wèi)勝

（甘肅遠(yuǎn)騰勘測(cè)設(shè)計(jì)工程有限公司，甘肅 蘭州 730050）

1.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是將無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，在平臺(tái)中配置高分辨率攝影儀器與激光雷達(dá)等裝置，基于影像信息采集系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制機(jī)載設(shè)備開(kāi)展測(cè)繪影像采集與同步傳輸作業(yè)，從而實(shí)時(shí)掌握測(cè)區(qū)情況。同時(shí)，影像信息采集系統(tǒng)由地面監(jiān)控以及飛行控制系統(tǒng)加以組成。在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間，地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)所獲取影像信息進(jìn)行整合預(yù)處理、質(zhì)量檢測(cè)、構(gòu)建三維立體模型與生成核線影像。而飛行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)操控?zé)o人機(jī)按預(yù)定航線飛行，將航線重疊度與旁向重疊度分別控制在70%與50%。在特殊情況下，工作人員遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)躲避障礙物與修改航線[1]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.2.1 機(jī)動(dòng)靈活

與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有快速航測(cè)反應(yīng)能力，無(wú)人機(jī)往往處于低空飛行狀態(tài)，飛行質(zhì)量、機(jī)身顛簸度與測(cè)量精度并不會(huì)受到氣候條件的明顯影響，且空域申請(qǐng)較為便利。同時(shí)，在無(wú)人機(jī)飛行期間，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)向變化時(shí)，雖然會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行線路造成影響，但依靠飛行控制系統(tǒng)，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)人機(jī)航線進(jìn)行修正處理，以減小外部環(huán)境對(duì)測(cè)量精度造成的影響。

此外，無(wú)人機(jī)作為一種小型飛行器，對(duì)起降場(chǎng)地要求較低，僅需在一段較為平整的路面，即可安全完成無(wú)人機(jī)起降操作，并將升空準(zhǔn)備時(shí)間控制在15min以內(nèi)。而在測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜時(shí)，無(wú)法通過(guò)自力發(fā)射方式起飛時(shí)，工作人員還可選擇采取彈簧起飛與垂直起飛方式，向無(wú)人機(jī)提供充足的升力。

1.2.2 測(cè)量精度高

在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中搭載有數(shù)字彩色航攝相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，可以持續(xù)獲取超高分辨率的數(shù)字影像以及高精度定位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息生成三維景觀模型及三維正射影像圖，最終測(cè)量的成像質(zhì)量與精度都明顯超過(guò)大飛機(jī)航拍測(cè)量成果。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)還可以切實(shí)滿足不同類型工程測(cè)量任務(wù)的精度要求。例如，將無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)切換至低空遙感模式，在低空與超低空環(huán)境下完成測(cè)量作業(yè)，持續(xù)采集低空精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，滿足應(yīng)急救災(zāi)等測(cè)量任務(wù)的作業(yè)需求。同時(shí)，將系統(tǒng)切換至高空作業(yè)模式，持續(xù)獲取高空信息數(shù)據(jù)，以滿足資源勘測(cè)等類型測(cè)量任務(wù)的作業(yè)需求。

1.2.3 檢測(cè)效率高

在應(yīng)用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)時(shí)，往往面臨著數(shù)據(jù)時(shí)效性差的問(wèn)題，存檔數(shù)據(jù)與編程拍攝獲取的影像數(shù)據(jù)時(shí)效性較差，無(wú)法在限定時(shí)間完成測(cè)量任務(wù)，且測(cè)量結(jié)果與測(cè)區(qū)實(shí)際情況不符。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以同步傳輸所獲取的影像信息，并開(kāi)展數(shù)據(jù)處理操作，從而向用戶實(shí)時(shí)提供所需成果。從檢測(cè)效率來(lái)看，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)每天可完成數(shù)十至上百平方公里區(qū)域的測(cè)量作業(yè)，實(shí)際測(cè)量效率遠(yuǎn)超過(guò)人工測(cè)繪。

1.3 技術(shù)要求

為充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最大程度減小外部環(huán)境與人為等因素對(duì)工程測(cè)量精度造成的影響，在應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)時(shí)，必須滿足以下技術(shù)要求：第一，系統(tǒng)全面檢查。對(duì)所配置數(shù)碼相機(jī)與數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備潛伏故障。同時(shí)，根據(jù)工程測(cè)量作業(yè)需求，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與使用功能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。第二，對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行初步勘察，判斷是否具備無(wú)人機(jī)起降條件，結(jié)合地質(zhì)地貌結(jié)構(gòu)與氣候條件來(lái)規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線。第三，在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間，工作人員必須嚴(yán)格遵循技術(shù)流程，禁止出現(xiàn)違章操作與私自篡改航測(cè)流程等問(wèn)題。

2.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用流程（圖1）

2.1 檢查校正設(shè)備

在無(wú)人機(jī)航測(cè)前，工作人員對(duì)機(jī)載設(shè)備與無(wú)人機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行全面檢查，重點(diǎn)檢查是否存在設(shè)備缺失損壞、攝影設(shè)備成像清晰度不達(dá)標(biāo)、數(shù)據(jù)采集器精度不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，檢修或更換故障設(shè)備，減小設(shè)備因素對(duì)測(cè)量精度造成的影響。隨后，將無(wú)人機(jī)放至彈射架上，對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角度加以測(cè)量調(diào)整，依次測(cè)試無(wú)人機(jī)的機(jī)頭、機(jī)身與尾翼等部位是否可以按指令操作。在確定一切無(wú)誤后，將飛行控制系統(tǒng)與機(jī)載航拍相機(jī)進(jìn)行連接，將降落傘包處于待命狀態(tài)，準(zhǔn)備開(kāi)展無(wú)人機(jī)起飛操作[2]。

圖1 無(wú)人機(jī)工程測(cè)量流程圖

2.2 控點(diǎn)布設(shè)及航線規(guī)劃

在控點(diǎn)布設(shè)及航線規(guī)劃環(huán)節(jié)，應(yīng)掌握以下技術(shù)要點(diǎn)：第一，對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件與天氣條件進(jìn)行采集分析，根據(jù)測(cè)區(qū)情況，將測(cè)區(qū)劃分為若干區(qū)域，在各區(qū)域內(nèi)均設(shè)置采集點(diǎn)，根據(jù)各區(qū)域地貌結(jié)構(gòu)確定采集點(diǎn)數(shù)量與間隔距離，以此來(lái)減小地形條件對(duì)測(cè)量精度造成的影響。第二，以測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)氣候條件為主要依據(jù)，合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線，嚴(yán)格控制航線重疊度與旁向重疊度，并保持無(wú)人機(jī)航線與周邊障礙物間的安全間隔距離，避免無(wú)人機(jī)在飛行期間受風(fēng)力影響與周邊障礙物相碰撞。第三，在惡劣氣候條件下，需要對(duì)無(wú)人機(jī)航線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在必要情況下禁止開(kāi)展無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與測(cè)繪影像的獲取

在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間，工作人員遠(yuǎn)程對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，或是基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則，采取多元化無(wú)人機(jī)航攝手段持續(xù)獲取測(cè)區(qū)內(nèi)所拍攝的影像資料，常用無(wú)人機(jī)航攝手段包括豎直攝影像、多基線攝影、交向攝影以及傾斜攝影等。隨后，對(duì)多視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，在數(shù)據(jù)匹配結(jié)果基礎(chǔ)上構(gòu)建空中三角測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行光束平差處理。與此同時(shí)，在必要情況下，可選擇使用DOM與DEM等產(chǎn)品，依靠無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)展數(shù)據(jù)采集與測(cè)繪影像獲取作業(yè)[3]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

在無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備以及數(shù)據(jù)解算步驟。其中，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備步驟，工作人員將無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中所存儲(chǔ)測(cè)繪影像數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，對(duì)航拍位置以及影響數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如調(diào)整旁向傾斜角與分類整理航測(cè)數(shù)據(jù)信息等。同時(shí)，對(duì)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量與無(wú)人機(jī)整體情況加以檢查評(píng)估，如貼線率及姿態(tài)角度，如果評(píng)估結(jié)果不佳，表明所獲取測(cè)繪影像的完整度與成像質(zhì)量較差，在必要情況下進(jìn)行復(fù)飛。而在數(shù)據(jù)解算步驟，根據(jù)已知數(shù)據(jù)信息構(gòu)建位置坐標(biāo)體系，繪制位置坐標(biāo)圖，將坐標(biāo)值與測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置加以匹配處理。隨后，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行處理規(guī)劃，基于控制點(diǎn)位置選擇坐標(biāo)體系，并完成DOM數(shù)據(jù)處理作業(yè)即可[4]。

3.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在工程測(cè)量中的具體應(yīng)用

3.1 在環(huán)境治理工程中的應(yīng)用

在環(huán)境治理工程中，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效減小復(fù)雜氣候條件對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量造成的影響，全面掌握測(cè)區(qū)生態(tài)環(huán)境情況，為后續(xù)環(huán)境治理工作的開(kāi)展提供信息支持。例如，在水環(huán)境治理工程中，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值包括：第一，可見(jiàn)光波段提取植物。采取變通VDVI算法，采取可見(jiàn)光波段提取法，在短時(shí)間內(nèi)即可從所獲取測(cè)繪影像中提取植被特征，以判斷水環(huán)境中藍(lán)藻等水生植物的生長(zhǎng)情況，判斷是否存在水生植物過(guò)度繁殖問(wèn)題。第二，應(yīng)急快速成圖。在特殊情況下，為快速掌握測(cè)區(qū)環(huán)境情況，需要運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，迅速掌握測(cè)區(qū)相關(guān)情況，運(yùn)用無(wú)人機(jī)在高空快速獲取測(cè)區(qū)影像資料，并在服務(wù)器端直接完成數(shù)據(jù)處理與計(jì)算過(guò)程，從而生成鑲嵌正射影像、DSM影像與DTM影像等成果。

3.2 在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用

當(dāng)前在部分工程項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，分布著湍急河流、險(xiǎn)灘、峽谷等復(fù)雜地形，受到地理環(huán)境限制，傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)與人工測(cè)量技術(shù)不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，測(cè)量精度較低，在測(cè)量期間容易出現(xiàn)突發(fā)問(wèn)題。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效解決以上問(wèn)題。首先，工作人員通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程調(diào)整航攝相機(jī)角度來(lái)獲取測(cè)繪影像，全面掌握測(cè)區(qū)情況與地物信息。其次，面對(duì)河流險(xiǎn)灘等復(fù)雜地形，憑借無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活優(yōu)勢(shì)，工作人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)身修正無(wú)人機(jī)航線，并操縱無(wú)人機(jī)開(kāi)展各項(xiàng)高難度飛行動(dòng)作，將無(wú)人機(jī)與各類障礙物保持安全間隔距離。最后，開(kāi)發(fā)低空無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)，組合應(yīng)用遙感技術(shù)與無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行期間所產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)誤差加以分析修正，以此提高測(cè)量精度及測(cè)繪影像質(zhì)量。

3.3 在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著技術(shù)體系的日益完善，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在大范圍地形圖測(cè)繪方面中得到廣泛應(yīng)用，且地形測(cè)繪精度滿足絕大多數(shù)工程1∶2000的測(cè)量精度要求。例如，在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間，在系統(tǒng)中下載并識(shí)別DOM數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上創(chuàng)建道路、路堤與建筑房屋等地物標(biāo)高（圖2）。隨后，依據(jù)DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，從所獲取測(cè)繪影像資料中提取地物矢量特征，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正細(xì)化處理，以此來(lái)構(gòu)建DOM圖形。最后，向CAD軟件中導(dǎo)入矢量化成果，將成圖要求為依據(jù)，對(duì)測(cè)區(qū)地圖進(jìn)行整飾處理，如此，即可生成DMG格式成果，完成地形圖測(cè)繪任務(wù)。

圖2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在城市測(cè)繪中的應(yīng)用

3.4 在多尺度大范圍遙感影像快速獲取中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比，在多尺度大范圍遙感影像獲取方面，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于，可組合運(yùn)用空中三角測(cè)量技術(shù)，提前在航測(cè)系統(tǒng)中設(shè)定飛行參數(shù)，結(jié)合測(cè)區(qū)情況規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線，無(wú)人機(jī)即可在航測(cè)期間持續(xù)獲取具備地理坐標(biāo)的正射影像信息，快速處理由數(shù)量不等影像所組成的測(cè)繪項(xiàng)目。同時(shí)，對(duì)調(diào)節(jié)波段權(quán)重、均值因子與尺寸等參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，以及對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的調(diào)整，具備了獲取“多尺度”影像數(shù)據(jù)與大范圍遙感影像的技術(shù)條件，這對(duì)工程測(cè)量精度與遙感影像質(zhì)量的提升有著重要意義。

4.結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代工程項(xiàng)目中，為全面提高工程測(cè)量精度及作業(yè)效率，突破傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用局限，企業(yè)必須提高對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的重視程度及應(yīng)用力度，深入了解技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，結(jié)合工程情況針對(duì)性制定無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)方案，保證航測(cè)過(guò)程科學(xué)合理。