無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在城市測(cè)繪中的應(yīng)用

申睿卿

（甘肅省自然資源行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心，甘肅蘭州 730000）

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

與手工測(cè)繪相比，無(wú)論是測(cè)繪成本，還是測(cè)繪精度、人員安全，都優(yōu)于人工測(cè)繪。從2019年測(cè)量技術(shù)論壇發(fā)布的數(shù)據(jù)可以看出，世界各地約40個(gè)國(guó)家對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，開(kāi)發(fā)了超過(guò)100種測(cè)繪技術(shù)。該技術(shù)將當(dāng)?shù)氐乩硇畔⑴cGPS定位系統(tǒng)相結(jié)合，使測(cè)繪形成更廣泛和多樣化的形式。

無(wú)人駕駛飛機(jī)是低空飛行，它的高度不低于50 m，不超過(guò)1 000 m。采用近程航空攝影測(cè)量技術(shù)，攝影精度達(dá)到亞米級(jí)，精度范圍為0.1～0.5 m，滿足1∶1 000成圖的要求，完全可以滿足城市建設(shè)的精細(xì)成圖要求。

無(wú)人駕駛飛機(jī)低空攝影系統(tǒng)成本低、消耗少，特別是系統(tǒng)維護(hù)和系統(tǒng)維護(hù)方法更方便，無(wú)須搭起飛機(jī)，操作人員的培訓(xùn)周期縮短。該技術(shù)是測(cè)量和攝影結(jié)合的航空攝影技術(shù)，根據(jù)測(cè)繪工作的需要，初步實(shí)現(xiàn)了航空攝影的飛行作業(yè)。無(wú)人駕駛飛行器遙感系統(tǒng)以其經(jīng)濟(jì)、高效、易操作等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到工程界的重視，對(duì)于獲取合格的霧霾天氣遙感數(shù)據(jù)也具有重要意義。

無(wú)人駕駛飛機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)主要以獲得高分辨率數(shù)字圖像為目標(biāo)，以無(wú)人駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為感測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合3S技術(shù)，獲得強(qiáng)流、大尺度、彩色、小面積的航空遙感數(shù)據(jù)。無(wú)人駕駛飛機(jī)低空攝影測(cè)量能夠快速獲取和處理基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，為地域性測(cè)繪影像、正射影像和地物模型的制作提供直觀、可靠、方便的數(shù)據(jù)支持。

無(wú)人駕駛飛機(jī)低空攝影測(cè)量不受天氣條件和空中管制等因素的影響，實(shí)現(xiàn)了惡劣天氣條件下的圖像數(shù)據(jù)采集，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)。無(wú)人駕駛飛機(jī)的裝備即使在發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)造成人員傷亡，安全性較高。

UAV能夠在云層中進(jìn)行超低空飛行，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影和衛(wèi)星光學(xué)遙感技術(shù)的不足。

2 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在城市測(cè)繪中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 高分辨率測(cè)繪圖像

通常在一些高空攝像技術(shù)和電子感應(yīng)技術(shù)的測(cè)量過(guò)程中，會(huì)受到云層厚度的影響，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。以往的攝像技術(shù)也會(huì)由于建筑物的高度過(guò)高，采集的數(shù)據(jù)也會(huì)有一定偏差。因此，與以前的一些攝影技術(shù)相比，這種新技術(shù)完全可以避免以前的缺點(diǎn)。無(wú)人機(jī)的飛行高度可以自由控制，不受建筑物或云層的影響。

以某測(cè)繪結(jié)果為例，精度對(duì)比如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì) 單位：cm

2.2 安全、可靠、靈活

無(wú)人機(jī)由工作人員控制，活動(dòng)范圍在工作人員范圍內(nèi)，不會(huì)超出遙控范圍，目前無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性較高。電池耗盡時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自主著陸功能，保證測(cè)量數(shù)據(jù)不丟失。在雷電、雨雪天氣的情況下，不會(huì)受到惡劣天氣條件的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果和往常準(zhǔn)確性一致。如果無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中超出規(guī)定范圍或電池突然斷電，無(wú)人機(jī)可以自動(dòng)保存測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自主著陸功能，或在低功率的情況下，無(wú)人機(jī)能夠自動(dòng)開(kāi)始回程，返回起飛位置。由于無(wú)人機(jī)的體積非常小，可以根據(jù)操作者的控制在高層建筑之間飛行，熟練地避開(kāi)各種障礙物。無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)不僅可以體現(xiàn)在城市建設(shè)過(guò)程中，還可以提高無(wú)人機(jī)在一些偏遠(yuǎn)山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)的利用率。

2.3 便捷的繪圖操作

與以往的手工測(cè)繪和機(jī)械測(cè)繪相比，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)更便捷。無(wú)人機(jī)不僅可以在高空飛行，還可以在建筑物之間低空飛行，對(duì)操作人員的技術(shù)水平也沒(méi)有特殊要求。

目前，無(wú)人機(jī)的制造成本相對(duì)較低，無(wú)人機(jī)將在今后的工作中得到廣泛應(yīng)用。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)改造和核心升級(jí)的成本將越來(lái)越低。無(wú)人機(jī)技術(shù)比以往的手工測(cè)繪成本更低，且大幅度減輕測(cè)量人員的工作壓力，進(jìn)一步保障了工作人員的生命安全，促進(jìn)城市建設(shè)的發(fā)展，提高城市測(cè)繪的精度，提高測(cè)繪工作效率。

3 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在城市測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1 圖像數(shù)據(jù)處理流程

無(wú)人機(jī)圖像處理的數(shù)據(jù)流主要為了使測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，需要將其應(yīng)用到數(shù)字高程模型中進(jìn)行目標(biāo)規(guī)劃。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中測(cè)得的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行初步綜合，將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，下載后，控制器采用數(shù)字高程模型進(jìn)行處理。

針對(duì)處理攝影聯(lián)合辦公的問(wèn)題，往往采用平差法進(jìn)行處理，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)處理站進(jìn)行計(jì)算。各種數(shù)據(jù)準(zhǔn)確后，采用濾波方法濾除冗余數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在圖像數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用無(wú)人低空攝影測(cè)量技術(shù)是重要環(huán)節(jié)之一。無(wú)人居住區(qū)域下攝影測(cè)量圖像數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是圖像重疊不均勻、照片數(shù)量多、傾斜角度大、方向不一致，使圖像匹配自動(dòng)連接點(diǎn)的選取比較困難。近年來(lái)，隨著圖像匹配技術(shù)的日趨成熟，大量的圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用效果得到了較好體現(xiàn)，無(wú)人區(qū)低空?qǐng)D像測(cè)量中圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的種類逐漸豐富，為城市測(cè)繪帶來(lái)了極大便利。在UAV低空攝影測(cè)量圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，主要任務(wù)是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)處理并生成DEM/DOM。

通過(guò)低空遙感平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集，從數(shù)據(jù)采集平臺(tái)下載影響數(shù)據(jù)和GPS/POS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能組織和處理，再利用GPS/POS輔助區(qū)域網(wǎng)平差得到精確的圖像數(shù)據(jù)。利用稠密匹配技術(shù)，對(duì)DSM點(diǎn)云進(jìn)行分類濾波和剔除，結(jié)合DEM和圖像參數(shù)進(jìn)行圖像正射校正，生成DLG圖像。通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理，可以得到精確的成圖數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

3.2 區(qū)域測(cè)繪中的應(yīng)用

進(jìn)行城市數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，無(wú)人機(jī)可自動(dòng)建立三維立體模型，精確地采集本地各種數(shù)據(jù)信息，保證了信息的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。例如，在測(cè)量一座山的高度時(shí)，無(wú)人駕駛飛機(jī)可以充分利用各種技術(shù)解決所有困難。

UAV測(cè)量技術(shù)的不斷改進(jìn)使測(cè)量精度也不斷提高。目前的無(wú)人駕駛飛機(jī)能夠測(cè)量數(shù)千米以上的距離，能夠測(cè)量更遠(yuǎn)的距離，所測(cè)數(shù)據(jù)的分辨率也不斷提高。無(wú)人駕駛汽車(chē)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過(guò)在上面安裝攝像機(jī)，可以獲取本地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給遙感系統(tǒng)，建立新的信息模型，使社會(huì)的效率進(jìn)一步提高。

3.3 應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，使國(guó)家各部門(mén)紛紛投入該技術(shù)的應(yīng)用，類似的無(wú)人駕駛飛機(jī)也可以應(yīng)用于土木工程或防洪工程。在另一座建筑物中，無(wú)人駕駛飛機(jī)可以實(shí)地考察當(dāng)?shù)厮械臄?shù)據(jù)點(diǎn)，將收集的各種數(shù)據(jù)信息傳遞給開(kāi)發(fā)人員，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步規(guī)劃，也可以節(jié)省開(kāi)發(fā)人員更多的時(shí)間。與防洪類似，無(wú)人駕駛汽車(chē)和其他技術(shù)也能實(shí)時(shí)監(jiān)控水位。測(cè)出的數(shù)據(jù)也會(huì)在第一時(shí)間傳給水文局人員，可以根據(jù)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效防洪。

4 分析無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景

4.1 空中三角測(cè)繪技術(shù)

在這些技術(shù)中，空中三角測(cè)量技術(shù)是較先進(jìn)的低空攝影技術(shù)，是轉(zhuǎn)換方法的重要組成部分。航測(cè)三角技術(shù)結(jié)合數(shù)碼攝影技術(shù)分析、制圖、內(nèi)業(yè)作業(yè)和數(shù)碼產(chǎn)品分析，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的二次加密，通過(guò)對(duì)照片的分析，使數(shù)碼測(cè)量和攝影測(cè)量的整體優(yōu)化。利用UAV幾何反演技術(shù)，將所有的數(shù)據(jù)向外處理，優(yōu)化UAV整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了UAV攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)用性。

4.2 有序化測(cè)繪調(diào)控技術(shù)

通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了UAV地形測(cè)量的高精度控制。當(dāng)前無(wú)人機(jī)不僅是攝影技術(shù)與遙控飛行技術(shù)有效結(jié)合的產(chǎn)物，而且還具有一套特殊的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在一定程度上分割測(cè)量數(shù)據(jù)。

如果條件允許，可以設(shè)定拍攝時(shí)間，航行特性使得攝影定位更準(zhǔn)確。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，需要確定控制點(diǎn)的位置。為方便后續(xù)測(cè)量和定位，最好在彎道附近設(shè)置控制點(diǎn)，并在其周?chē)砑痈逦膮⒄瘴铩?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，為城市測(cè)繪員提供了較大幫助。與以往傳統(tǒng)測(cè)繪相比，現(xiàn)階段的無(wú)人機(jī)測(cè)繪更方便、成本更低、效果更好、精度更高。無(wú)人駕駛飛機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使城市測(cè)繪工作的效率得到進(jìn)一步提高，促進(jìn)了城市測(cè)繪的發(fā)展。