無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

張本平

陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西 西安 710018

1 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 反應(yīng)快速

部分測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，地形起伏不定，在傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)體系中，為保證測(cè)繪作業(yè)安全，需要將飛機(jī)保持高空飛行狀態(tài)，飛機(jī)起降條件要求嚴(yán)格，且測(cè)量精度易受到氣候條件影響，致使測(cè)繪結(jié)果無法真實(shí)、全面地反映測(cè)區(qū)情況。在應(yīng)用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)時(shí)，以無人機(jī)作為飛行器，具有機(jī)動(dòng)靈活的特征，其可以保持低空飛行狀態(tài)開展作業(yè)，在前方出現(xiàn)障礙物時(shí)可以快速調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行躲避，獲取準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，無人機(jī)起降條件要求寬泛，僅需在測(cè)區(qū)開辟一小段相對(duì)較為平整的路面，或是采取彈射起飛方式，在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備滑行軌道、牽引鋼絲、開鎖裝置等，施加橡膠拉力牽動(dòng)小車在軌道上加速滑行，即可賦予無人機(jī)平飛速度，快速操控?zé)o人機(jī)前往測(cè)區(qū)拍攝影像資料。

1.2 時(shí)效性強(qiáng)

在早期的大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中，普遍選擇能獲取高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行測(cè)繪，但在實(shí)際工作期間面臨著影像資料獲取時(shí)間較長(zhǎng)、存檔數(shù)據(jù)時(shí)效性差的問題。在此背景下，應(yīng)用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)，無人機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)前往測(cè)區(qū)航拍影像資料，實(shí)時(shí)將所拍攝資料通過數(shù)傳電臺(tái)傳輸至地面站，接收地面站下達(dá)的測(cè)繪任務(wù)與控制指令。同時(shí)，相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在一般條件下，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)每日可完成數(shù)十平方公里的測(cè)繪任務(wù)，其時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)在小范圍測(cè)繪項(xiàng)目中得到了最大程度上的發(fā)揮。

1.3 綜合測(cè)繪成本低

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)相比，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在應(yīng)用前期雖然需要投入一定成本用于采購(gòu)飛行器、數(shù)傳電臺(tái)、五鏡頭傾斜相機(jī)、數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備，但憑借技術(shù)地表數(shù)據(jù)獲取快速、適用范圍廣、反應(yīng)快速、作業(yè)效率高等優(yōu)勢(shì)，可以將綜合測(cè)繪成本控制在合理范圍內(nèi)，在同規(guī)模、類別的測(cè)繪項(xiàng)目中，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的綜合成本遠(yuǎn)低于人工測(cè)繪、航空攝影測(cè)量等測(cè)繪技術(shù)。因此，對(duì)于無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，也是控制大比例尺地形圖測(cè)繪成本的一項(xiàng)重要舉措。

1.4 適用范圍廣

傳統(tǒng)地形圖測(cè)繪技術(shù)均存在一定的應(yīng)用局限性，如人工測(cè)繪效率低下、航空攝影測(cè)量技術(shù)的飛機(jī)飛行高度需要保持在5000m及以上，測(cè)量精度受云層等氣候條件干擾，難以高效完成特殊地形的測(cè)繪任務(wù)。與之相比，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的監(jiān)控區(qū)域受限制條件較少，消除了復(fù)雜地形、氣候條件等外部因素對(duì)測(cè)量精度和成圖質(zhì)量造成的影響，且測(cè)量精度與成像質(zhì)量均可以得到保障。

2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 地面控制系統(tǒng)搭設(shè)、航線規(guī)劃與航測(cè)控制點(diǎn)布設(shè)

首先，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置地面基站，在基站內(nèi)安裝遙控器、視頻顯示器、數(shù)傳電臺(tái)和電源子系統(tǒng)，在后續(xù)無人機(jī)航測(cè)過程中，由地面基站通過數(shù)傳電臺(tái)持續(xù)獲取實(shí)時(shí)拍攝的影像資料與觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)無人機(jī)遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令，如調(diào)整無人機(jī)的飛行高度、速度與姿態(tài)，根據(jù)外業(yè)作業(yè)情況調(diào)整無人機(jī)航向。

其次，規(guī)劃無人機(jī)航線，遵循《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3004—2010）等規(guī)范文件，結(jié)合測(cè)區(qū)地形地貌起伏情況設(shè)定無人機(jī)航線與飛行高度，以此控制像片重疊率、像片旋角，將無人機(jī)飛行期間與攝影基準(zhǔn)面的相對(duì)高度保持基本一致，避免因相對(duì)高度波動(dòng)變化而影響到測(cè)繪成果分辨率。

最后，綜合分析現(xiàn)場(chǎng)地形條件、測(cè)繪任務(wù)要求、控制網(wǎng)形狀等因素，在測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的航測(cè)控制點(diǎn)，如在首條和最后一條無人機(jī)航線內(nèi)設(shè)置不超過8個(gè)平面像控點(diǎn)，在重丘陵和微丘陵測(cè)區(qū)內(nèi)分別將基線數(shù)量控制在16個(gè)左右和12個(gè)以內(nèi)。同時(shí)，部分大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)地形條件過于復(fù)雜，不具備設(shè)置明確像控點(diǎn)目標(biāo)的條件，因此需要以小型目標(biāo)為依據(jù)來布設(shè)高程點(diǎn)，同步采取分段擬合方法，以控制所采集影像資料的質(zhì)量，掌握物體交點(diǎn)和頂點(diǎn)部位的位置信息。

2.2 測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)的全面采集

在測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，測(cè)繪人員需提前做好準(zhǔn)備工作，檢查無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能使用情況，如航向定位功能、信號(hào)收發(fā)功能。待準(zhǔn)備工作完成后，在ALtizuree等軟件中導(dǎo)入無人機(jī)航線與劃分測(cè)區(qū)長(zhǎng)度方向，分別設(shè)定各測(cè)區(qū)航向、飛行高度、飛行速度等參數(shù)，根據(jù)測(cè)繪任務(wù)要求開展空中三角測(cè)量與照片控制測(cè)量作業(yè)，要求影像重疊度不得小于85%。同時(shí)，組合應(yīng)用POS技術(shù)，在無人機(jī)飛行期間持續(xù)感知無人機(jī)飛行姿態(tài)，以此解決無人機(jī)航測(cè)技術(shù)姿態(tài)穩(wěn)定性差和影像旋偏角過大的技術(shù)問題，依托這項(xiàng)技術(shù)開展測(cè)繪點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)算作業(yè)。

在空中三角測(cè)量步驟中，測(cè)繪人員在已掌握野外控制點(diǎn)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)各處控制點(diǎn)進(jìn)行加密處理，由無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行期間替代人工自動(dòng)拍攝影像資料與完成計(jì)算操作，工作人員提前在系統(tǒng)中輸入連接點(diǎn)位，將其和測(cè)量模型進(jìn)行連接，即可在測(cè)量過程中獲取各處加密點(diǎn)平面位置以及高程等數(shù)據(jù)，切實(shí)滿足大比例尺地形圖測(cè)繪需要。同時(shí)，在空中三角測(cè)量期間，重點(diǎn)控制絕對(duì)定位精度與相對(duì)定位精度，例如，在1∶1000的大比例尺地形圖中，將丘陵地形中的定向點(diǎn)殘差的平面誤差控制在0.25mm以下，將高程誤差控制在0.25m以下。在照片控制測(cè)量步驟中，組合應(yīng)用無人機(jī)航測(cè)與GPS系統(tǒng)，對(duì)外業(yè)作業(yè)期間獲取的三維觀測(cè)數(shù)據(jù)及航測(cè)影像信息進(jìn)行結(jié)合處理，從而既可以獲取測(cè)區(qū)內(nèi)各處控制點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值，又可以準(zhǔn)確描述各項(xiàng)控制點(diǎn)間的位置關(guān)系。

2.3 航測(cè)數(shù)據(jù)處理

在航測(cè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，工作人員提前將所收集航測(cè)影像資料進(jìn)行分組處理，要求各組次內(nèi)的照片數(shù)量不得少于6張，并將航測(cè)影像資料及外業(yè)控制成果輸入模型，從中篩選高精度圖像與處理刺點(diǎn)數(shù)據(jù)。隨后，使用航測(cè)軟件依次對(duì)所導(dǎo)入航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成、DEM生成、DOM生成處理?？杖用苁腔趲缀翁卣髋c控制點(diǎn)三維空間坐標(biāo)值對(duì)所采集的具備航向重疊度和旁向重疊度的像片進(jìn)行平差處理來獲取加密點(diǎn)信息。點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成是使用密集匹配算法對(duì)影響數(shù)據(jù)加以密集匹配、鑲嵌、勻光處理來獲取密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。DEM生成是在空三計(jì)算成果的基礎(chǔ)上獲取核線影響并引入特征點(diǎn)等信息來構(gòu)建三角網(wǎng)，在三角網(wǎng)內(nèi)插高程來生成DEM數(shù)據(jù)。DOM生成是使用反解算法與雙線性內(nèi)插法對(duì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行微分糾正與重采樣處理，以此獲取鑲嵌線來拼接測(cè)區(qū)模型正攝影像以生成標(biāo)準(zhǔn)樣圖。

2.4 大比例尺地形圖繪制

在大比例尺地形圖繪制環(huán)節(jié)，工作人員使用AreGIS等軟件，在軟件中導(dǎo)入內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中獲取的DOM等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型，在模型匯總中分析對(duì)比矢量化數(shù)據(jù)特征和地貌信息，選擇性地對(duì)三維模型進(jìn)行修飾處理，待處理完畢后將模型輸出，獲取真正射影像圖數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，使用軟件自帶工具生成CAD圖紙，完成地形圖繪制任務(wù)。

2.5 地形圖更新

為了保證所繪制地形圖清晰明確，預(yù)防出現(xiàn)圖面失真的問題，在大比例尺地形圖繪制完畢后，需要開展地形圖更新作業(yè)，對(duì)已掌握的航測(cè)數(shù)據(jù)及所繪制的地形圖開展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與圖幅糾正操作，將地形圖、航測(cè)影像、地形圖更新區(qū)域和轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)判斷與線劃數(shù)據(jù)更新處理，再將更新數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯整理和檢查驗(yàn)收，退回不合格數(shù)據(jù)及地形圖，在檢查驗(yàn)收通過后進(jìn)入成果輸出步驟。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

在某大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中，考慮到項(xiàng)目時(shí)間要求較為嚴(yán)格，需要在30d內(nèi)完成25km2的測(cè)繪任務(wù)，并繪制比例尺為1∶1000的地形圖，傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)的航飛審批流程較為煩瑣，最終選擇采用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)。配置華測(cè)P700E航測(cè)無人機(jī)等設(shè)備，在測(cè)區(qū)內(nèi)以2～10個(gè)點(diǎn)位/km2的密度布設(shè)像控點(diǎn)，設(shè)定1000比例尺9cm地面分辨率和2000比例尺15cm地面分辨率，在現(xiàn)場(chǎng)安裝彈射架，采取彈射起飛的方式控制航測(cè)無人機(jī)起飛，在2h內(nèi)完成航測(cè)作業(yè)，持續(xù)監(jiān)測(cè)航高、飛行軌跡等參數(shù)。待航測(cè)完畢后，從無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)出拍攝圖片，經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估后確定無須開展補(bǔ)測(cè)作業(yè)，使用空三軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，在立測(cè)軟件中測(cè)制地形圖，如圖1所示。

圖1 大比例尺地形圖航空測(cè)量

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)全新的測(cè)繪技術(shù)，在大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中取得了顯著的應(yīng)用成果，測(cè)量精度與效率均得到明顯提升。因此，相關(guān)人員應(yīng)正確認(rèn)識(shí)到無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，制定完善的技術(shù)應(yīng)用體系，以提高技術(shù)應(yīng)用水平，為測(cè)繪質(zhì)量的提高提供技術(shù)保障。