無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

韓 興，孫文永

（1.中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100068；2.中建八局檢測(cè)科技有限公司，北京 102488）

近幾年，無(wú)人機(jī)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，而無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也逐漸凸顯。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且使用成本更低的優(yōu)勢(shì)。不僅能夠完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的各項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)也能夠針對(duì)有人飛機(jī)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域完成各項(xiàng)工作任務(wù)，例如危險(xiǎn)區(qū)域或遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)等[1]。在利用無(wú)人機(jī)對(duì)被監(jiān)測(cè)或被測(cè)量物體進(jìn)行航拍時(shí)，其影像的清晰度和比例尺等均能夠達(dá)到良好的預(yù)期效果。當(dāng)前該系統(tǒng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到林業(yè)、農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)調(diào)查等領(lǐng)域當(dāng)中，并逐漸成為國(guó)家測(cè)繪部門以及相關(guān)機(jī)構(gòu)重點(diǎn)推廣的新技術(shù)。隨著當(dāng)前現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球定位系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)等均得到良好發(fā)展，而無(wú)人機(jī)的民用化水平也逐漸提升，所涉及的領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到三維建模、林業(yè)、災(zāi)害評(píng)估等[2]。當(dāng)前，全球無(wú)人機(jī)種類眾多，并且結(jié)構(gòu)相差較大，根據(jù)不同的測(cè)量任務(wù)可對(duì)無(wú)人機(jī)的類型進(jìn)行合理選擇，以進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。因此，基于當(dāng)前無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本文以工程測(cè)量為例，針對(duì)其在工程測(cè)量當(dāng)中的應(yīng)用開展相關(guān)研究。

1 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

1.1 基于無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)平差

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)工程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，本次研究中引進(jìn)無(wú)人機(jī)低空攝像測(cè)量系統(tǒng)，參照系統(tǒng)的作業(yè)流程，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的平差研究。其中系統(tǒng)測(cè)量作業(yè)流程如下圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)流程

在掌握系統(tǒng)作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，采用在野外布控測(cè)量點(diǎn)的方式，進(jìn)行工程測(cè)量區(qū)域的三維布網(wǎng)。在完成相關(guān)作業(yè)行為后，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平的校正與約束，在此過(guò)程中，選擇單航帶連續(xù)法進(jìn)行重疊區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)系的構(gòu)建，將構(gòu)建的坐標(biāo)系與校正的三維空間坐標(biāo)軸進(jìn)行疊向?qū)?。完成?duì)坐標(biāo)點(diǎn)的對(duì)象處理后，提取空間坐標(biāo)軸內(nèi)的三角元素，將定值元素作為一個(gè)定值數(shù)據(jù)，按照此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)空間坐標(biāo)軸的校正[3]。并將校正后的坐標(biāo)軸與輔向坐標(biāo)軸保持相互平行，對(duì)應(yīng)模型的比例尺與原點(diǎn)坐標(biāo)保持布標(biāo)，可得到一個(gè)X-Y-Z的區(qū)域網(wǎng)坐標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，將航帶的立體攝像探頭進(jìn)行相對(duì)定向處理，進(jìn)行平差過(guò)程中坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)換。此過(guò)程如下計(jì)算公式所示。

公式（1）中：X、Y、Z分別表示為區(qū)域網(wǎng)坐標(biāo)體系；x、y、z分別表示為三維布網(wǎng)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)點(diǎn)；R表示為校正范圍；f表示為坐標(biāo)點(diǎn)連續(xù)性，按照上述計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換，參照轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)點(diǎn)，完成對(duì)工程測(cè)量區(qū)域的平差處理。

1.2 基于傳感器的測(cè)量誤差校驗(yàn)

按照上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)工程區(qū)域的測(cè)量的區(qū)域網(wǎng)平差后，為了確保測(cè)量結(jié)果的精度，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其誤差的補(bǔ)償。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中重要的組成部分，在一定程度上決定著測(cè)量得到的地面影像圖像的清晰度[4]。針對(duì)無(wú)人機(jī)上相機(jī)的誤差校驗(yàn)，可采用控制場(chǎng)檢驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)。在校驗(yàn)的過(guò)程中，按照公式（2）所示的校驗(yàn)?zāi)Ｊ酵瓿尚ｒ?yàn)。

公式（2）中，a、b表示為像方坐標(biāo)；A、B、C表示為物方坐標(biāo)；l和i表示為線性系數(shù)。根據(jù)上述公式（2），將其應(yīng)用到測(cè)量系統(tǒng)的相機(jī)校驗(yàn)當(dāng)中，提高相機(jī)的精度。除此之外，針對(duì)測(cè)量系統(tǒng)獲得的工程測(cè)量圖像，通過(guò)內(nèi)方位元素方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)其相機(jī)位置的校驗(yàn)。圖2為內(nèi)方位元素結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 內(nèi)方位元素結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中I、II和III表示為三個(gè)在內(nèi)方位元素結(jié)構(gòu)當(dāng)中的點(diǎn)；S表示為攝影中心；f表示為攝影中心S到圖像的垂直距離。通過(guò)內(nèi)方位元素來(lái)決定攝影中心點(diǎn)，從而得到圖像的相對(duì)關(guān)系，并通過(guò)相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)測(cè)量過(guò)程中相機(jī)的拍攝位置光束形狀進(jìn)行確定[5]。在上述確定相機(jī)光束形狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合光學(xué)畸變差原理從徑向畸變和偏心畸變差，對(duì)其產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，其表達(dá)式為。

公式（3）中，r表示為向徑；k表示為徑向畸變差系數(shù)。根據(jù)上述公式，完成對(duì)畸變誤差的補(bǔ)償，從而得到的最終結(jié)果即為精準(zhǔn)度較高的工程測(cè)量結(jié)果。

2 應(yīng)用效果分析

通過(guò)本文上述論述，針對(duì)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行分析，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)應(yīng)用后的工程測(cè)量精度是否得到提升，本文選擇以進(jìn)行工程施工的項(xiàng)目為依托，針對(duì)其工程測(cè)量任務(wù)，引入上述測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其開展測(cè)量工作。已知該工程項(xiàng)目總占地面積約為152820平方米，選擇將該測(cè)量區(qū)域內(nèi)的東西方向及測(cè)量區(qū)域東側(cè)的東北方向作為主要測(cè)量路線。選擇測(cè)量路線的左右各300m范圍作為研究區(qū)域。在測(cè)量前，首先對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)確定，將地面分辨率設(shè)置為0.1m，將航線間隔設(shè)置為400m，將焦距設(shè)置為35m，將基準(zhǔn)面設(shè)置為75%。分別針對(duì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的平地和丘陵地兩種地形結(jié)構(gòu)的五個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并將通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)得出的結(jié)果與實(shí)地測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)地測(cè)量采用高精度工程測(cè)量?jī)x完成。計(jì)算本文測(cè)量方法的誤差，誤差計(jì)算公式為：測(cè)量結(jié)果誤差=實(shí)地測(cè)量結(jié)果-本文測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果。將結(jié)果繪制成如表1所示。

表1 工程測(cè)量結(jié)果誤差記錄表（單位：mm）

從表1得出的測(cè)量誤差記錄結(jié)果可以看出，平地測(cè)量誤差明顯小于丘陵地測(cè)量誤差，但表1中所有誤差值均在工程測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)小于20.0mm范圍內(nèi)，說(shuō)明測(cè)量精度符合要求。因此，通過(guò)將本文測(cè)量方法應(yīng)用于實(shí)際進(jìn)一步證明，利用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工程項(xiàng)目中各測(cè)量點(diǎn)測(cè)量的精度滿足實(shí)際要求。

3 結(jié)語(yǔ)

科技水平的不斷提升促進(jìn)了無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在工程測(cè)量當(dāng)中的應(yīng)用水平提升，通過(guò)本文對(duì)該系統(tǒng)在工程測(cè)量當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，進(jìn)一步分析得出，利用該系統(tǒng)能夠在確保測(cè)量精度，提高測(cè)量效率的基礎(chǔ)上，保障測(cè)量技術(shù)人員的人身安全，并實(shí)現(xiàn)對(duì)地形圖的精準(zhǔn)測(cè)繪。目前，由于該系統(tǒng)的固定成本和軟件部分的成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的局限性問(wèn)題。因此，作為現(xiàn)代測(cè)繪和未來(lái)測(cè)繪最重要的測(cè)量方式，還需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行不斷地優(yōu)化，并進(jìn)一步增加研究深度。