小型無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地測(cè)繪中的應(yīng)用

劉志強(qiáng)，王金星

（南陽高新區(qū)大地測(cè)繪有限公司，河南 南陽 473000）

土地是眾多經(jīng)濟(jì)作物以及動(dòng)物賴以生存的重要場(chǎng)所，眾所周知，世界范圍內(nèi)3/10面積為土壤面積，剩余為海洋水體面積，可供給人類使用的面積少之又少，所以探尋土壤面積、土壤成分以及土壤環(huán)境對(duì)建筑工業(yè)、生態(tài)保護(hù)等第一產(chǎn)業(yè)來說至關(guān)重要。同時(shí)國土面積對(duì)于任何一個(gè)國家來說都是彌足珍貴的戰(zhàn)略資源，只有熟知既有的土地面積以及土地資源才能制定未來發(fā)展目標(biāo)，為群眾創(chuàng)造更為美好的明天提供必要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)以衛(wèi)星探測(cè)為主的土地測(cè)繪系統(tǒng)不但需要漫長的開發(fā)過程，同時(shí)由于其軌道位置處于地球外側(cè)，衛(wèi)星探測(cè)時(shí)會(huì)受到大氣以及云層等干擾，測(cè)量不準(zhǔn)確的情況時(shí)有發(fā)生。而無人機(jī)技術(shù)以及制造裝備生產(chǎn)線的普及讓測(cè)繪變得更加唾手可得，技術(shù)人員在考慮無人機(jī)飛行執(zhí)照后就可在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)進(jìn)行飛行測(cè)試來量取目的土地測(cè)繪數(shù)據(jù)以提供后續(xù)計(jì)算和綜合利用。

1 測(cè)繪儀器的發(fā)展歷程

1.1 羅盤儀以及平板儀傳統(tǒng)測(cè)繪歷程

從本質(zhì)上說測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展就是測(cè)繪儀器的發(fā)展，土地?cái)?shù)據(jù)具有多元性和復(fù)雜性，精確易上手的土地測(cè)繪儀器會(huì)讓測(cè)繪工作事半功倍，提升測(cè)定的穩(wěn)定性以及測(cè)定效率。受限于技術(shù)，新中國成立后一段時(shí)間內(nèi)，我國商用和科研用地測(cè)繪大多依賴羅盤儀以及平板儀進(jìn)行土地面積測(cè)定。對(duì)于平原地區(qū)，羅盤儀和平板儀會(huì)發(fā)揮正常效用，精準(zhǔn)度可以媲美當(dāng)今高科技、高效能測(cè)繪設(shè)備，但在地形錯(cuò)綜復(fù)雜的山川地區(qū)以及有效海拔高度不一的盆地地區(qū)，兩者無法進(jìn)行高效精確測(cè)量，而導(dǎo)致使用局限性的本質(zhì)因素利用儀器進(jìn)行空間建模時(shí)，無法進(jìn)行縱向高度的準(zhǔn)確定位。通過視距法進(jìn)行高度示數(shù)讀取時(shí)，其本身存在一定誤差，但通過凸透鏡將誤差示數(shù)進(jìn)一步放大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果南轅北轍，此類情況尤為出現(xiàn)在對(duì)大面積土地測(cè)繪時(shí)，由于邊界的不均勻特性以及面積不可預(yù)估性，即使是出現(xiàn)誤差，縱然經(jīng)驗(yàn)豐富的測(cè)繪員也無法第一時(shí)間根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)。同時(shí)羅盤儀和平板儀在工作時(shí)往往需要4人進(jìn)行協(xié)同配合，工作人員不但要承擔(dān)設(shè)備的搬運(yùn)工作，同時(shí)還要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備的收納支撐，體力工作量大于技術(shù)工作，為工作人員增加負(fù)擔(dān)，測(cè)繪回報(bào)率無法與投入率成正比。

1.2 光電測(cè)距技術(shù)以及光電測(cè)角技術(shù)

測(cè)繪工具發(fā)生顯著改變?cè)?0世紀(jì)80年代，光學(xué)經(jīng)緯儀逐漸成為土地測(cè)繪人員手中的測(cè)量利器，與羅盤儀和平板儀相比，光學(xué)經(jīng)緯在測(cè)量準(zhǔn)確性方面提升顯著，同時(shí)聯(lián)動(dòng)性提升測(cè)定效率，但從本質(zhì)上說光學(xué)經(jīng)緯儀測(cè)量理論基礎(chǔ)和測(cè)量方法依然與羅盤儀及平板儀大抵相同。然而光學(xué)經(jīng)緯儀并不像羅盤儀那樣占據(jù)我國土地測(cè)繪領(lǐng)域超過30余年時(shí)間，在光學(xué)經(jīng)緯儀出現(xiàn)的10年后，全站儀的出現(xiàn)逐漸替代了前面出現(xiàn)的兩種設(shè)備，它的出現(xiàn)是廣電測(cè)量的技術(shù)蓬勃發(fā)展的結(jié)果，顛覆了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，迅速占領(lǐng)我國土地測(cè)繪各級(jí)市場(chǎng)，從根本上說，20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的全站儀被世界測(cè)繪協(xié)會(huì)評(píng)為具有真正意義上的數(shù)字化測(cè)繪設(shè)備，從此與土地測(cè)繪相關(guān)的技術(shù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)遙感在技術(shù)人員身邊的顯示器中。初期由于技術(shù)不夠成熟，其價(jià)格相對(duì)昂貴，大多測(cè)量機(jī)構(gòu)采用全站儀協(xié)同于傳統(tǒng)測(cè)繪儀進(jìn)行綜合性測(cè)繪，但隨著測(cè)繪市場(chǎng)的蛋糕越做越大，更多科研機(jī)構(gòu)加入到對(duì)全站儀的研發(fā)工作內(nèi)，全站儀的價(jià)格隨之降低，成為了特定時(shí)代下測(cè)繪常規(guī)設(shè)備。軟件公司競(jìng)相與全站儀開發(fā)軟件，三維激光掃描儀、點(diǎn)云模擬軟件、三維建模軟件以及車載移動(dòng)測(cè)定平臺(tái)相繼出現(xiàn)，為導(dǎo)航軟件出現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，同一時(shí)期，在大中型城市，更多經(jīng)過技術(shù)改造的測(cè)繪車奔波于城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間為后臺(tái)數(shù)據(jù)終端傳輸動(dòng)態(tài)信號(hào)，為構(gòu)建實(shí)時(shí)性動(dòng)態(tài)性道路和地形關(guān)系網(wǎng)貢獻(xiàn)力量，同時(shí)大型礦山測(cè)定、地下工程綜合測(cè)繪工作徐徐開展，依托于全站儀技術(shù)工程建造行業(yè)也迎來了發(fā)展的春風(fēng)。

1.3 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)測(cè)定法

全站儀的出現(xiàn)開啟了土地測(cè)繪的數(shù)字化測(cè)量的新篇章，但受限于測(cè)定基準(zhǔn)點(diǎn)依然是眾多點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間的相對(duì)位置，與平板儀和羅盤儀相比，測(cè)定更為準(zhǔn)確，但對(duì)于大面積及復(fù)雜地形測(cè)繪工作依然需超過3人進(jìn)行綜合性協(xié)同工，工作人員工作量依然很大，無法將測(cè)量效率提升至技術(shù)人員的預(yù)期。21世紀(jì)是太空探索的世紀(jì)，也是自動(dòng)化技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代契機(jī)，更多國家試圖向地球同步衛(wèi)星軌道發(fā)射具有測(cè)定效能的衛(wèi)星，以貼近國家對(duì)土地、天氣等重大戰(zhàn)略數(shù)據(jù)的測(cè)定需求。

無線電波信號(hào)和光學(xué)信號(hào)的協(xié)同性發(fā)展催生了衛(wèi)星定位差分技術(shù)登上了歷史舞臺(tái)，由于采用電磁反射信號(hào)傳播及轉(zhuǎn)譯，傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備利用反射以及透視的方式逐漸被淘汰，縱然在地形更為復(fù)雜、土地面積更大的目標(biāo)測(cè)定區(qū)域，依然可實(shí)現(xiàn)單兵測(cè)繪。衛(wèi)星定位差分技術(shù)法的主要工作原理是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）靜態(tài)測(cè)量布設(shè)一級(jí)（首級(jí)）控制點(diǎn)，與現(xiàn)在所用的全球?qū)崟r(shí)定位衛(wèi)星系統(tǒng)（GPS）不同，測(cè)定無需嚴(yán)格意義上的動(dòng)態(tài)性，測(cè)定點(diǎn)處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。在首級(jí)控制點(diǎn)確定完畢后，利用動(dòng)態(tài)差分技術(shù)進(jìn)行對(duì)圖根控制與測(cè)量，最終利用全站儀進(jìn)行碎步化測(cè)量，以達(dá)成測(cè)量精度較高的綜合性測(cè)定成果。而伴隨著網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的普及以及數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速度得到了明顯提升，連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)成為動(dòng)態(tài)差分測(cè)量技術(shù)的主流測(cè)量模式。國家測(cè)繪部門根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀創(chuàng)建了全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)和千尋系統(tǒng)，以北斗衛(wèi)星做重要基礎(chǔ)設(shè)備，兼容世界排名前幾位的GPS、GLONASS和伽利略是衛(wèi)星信號(hào)，可提供精確至厘米級(jí)的土地測(cè)繪工作，兼顧于500倍動(dòng)態(tài)縮放大比例尺是的測(cè)繪與使用要求。如今以全站儀為重要計(jì)算工具的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分差技術(shù)測(cè)定法如今儼然變成了土地測(cè)繪工作廣泛使用的技術(shù)方法，為后續(xù)超高清、廣色域土地測(cè)繪技術(shù)的迭代提供必要的技術(shù)性基礎(chǔ)和專業(yè)級(jí)導(dǎo)向。

2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)出現(xiàn)的歷史背景

如今依托于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)測(cè)定法技術(shù)與全站儀協(xié)同性使用的土地測(cè)繪技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于城市樓群密度較大、土地覆蓋物分布較為密集地區(qū)，此種測(cè)繪模式依然存在一定局限性，例如在地形測(cè)量時(shí)，測(cè)繪人員應(yīng)進(jìn)行全區(qū)域無差別測(cè)量，最終提取出目標(biāo)中心區(qū)域，受限于步驟的繁瑣性，重要碎布點(diǎn)會(huì)被遺漏，同時(shí)全站儀的運(yùn)算能力有限，在大批量計(jì)算時(shí)，會(huì)選擇性忽略部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此種工作特性不利于精確測(cè)量工作的進(jìn)行。同時(shí)在森林覆蓋區(qū)域，水域反射比較大的區(qū)域衛(wèi)星信號(hào)會(huì)針對(duì)性被縮減以及隔離，導(dǎo)致土地測(cè)繪任務(wù)無法正常進(jìn)行。在土地測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)與需求日益提升的今天，土地測(cè)繪設(shè)備與技術(shù)應(yīng)具有全功能性兼并精確性，因此機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可控性高的無人機(jī)航測(cè)技術(shù)得到了土地測(cè)繪工作愛好者的喜愛與追捧。相關(guān)技術(shù)人員通過采購大疆無人機(jī)，通過軟件加持利用無人機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器和運(yùn)算器來協(xié)同處理內(nèi)部數(shù)據(jù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)性動(dòng)態(tài)性數(shù)據(jù)檢測(cè)目標(biāo)。

2.2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

我國無人機(jī)發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，此時(shí)無人機(jī)專向應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展以及民用資本的不斷積累，20世紀(jì)80年代處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍地區(qū)的技術(shù)型企業(yè)加大對(duì)民用無人機(jī)的開發(fā)。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的歷史時(shí)刻是2008年汶川大地震，突如其來的地震，一時(shí)間將所有無線電信號(hào)全部切斷，國家測(cè)繪部門協(xié)同于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)架構(gòu)部門迅速部署，通過臨時(shí)搭建的信號(hào)發(fā)射塔，將飛機(jī)進(jìn)行懸飛指令設(shè)定，第一時(shí)間將動(dòng)態(tài)性土地測(cè)繪信號(hào)回傳至終端救援中心，而此時(shí)使用的無人飛機(jī)正是具有中國自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)的大疆無人機(jī)。從此無人機(jī)被測(cè)繪人員搶購，一時(shí)間無人機(jī)供不應(yīng)求，國家針對(duì)無人機(jī)銷量的飛升制定了無人機(jī)飛行駕駛資格考試科目設(shè)定，規(guī)范無人機(jī)遙控操作駕駛。受限于21世紀(jì)初期的影像分辨率以及傳輸速度等多方面影響，初代大疆無人機(jī)存在拍攝重疊、信號(hào)更新存在延遲等情況。但隨著大疆等一批先進(jìn)的無人機(jī)制造公司加強(qiáng)對(duì)信號(hào)建設(shè)以及影像合成系統(tǒng)的大力研發(fā)，將位置信號(hào)更新存在延遲等問題解決，使無人機(jī)在房屋區(qū)域測(cè)量、自然災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為了國家指定測(cè)繪機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略合作伙伴。

3 小型旋翼無人機(jī)航測(cè)工作流程

3.1 工作流程概述

目前國內(nèi)制造小型旋翼無人機(jī)功能強(qiáng)大、接口豐富的無人機(jī)制造公司非大疆莫屬，以大疆精靈4RTK版本無人機(jī)為例對(duì)小型旋翼無人機(jī)航測(cè)工作流程進(jìn)行介紹，其中影像處理程序軟件選用業(yè)界常用的ContextCapture，整個(gè)流程分為五大步驟，分別為航測(cè)準(zhǔn)備工作、航線線路規(guī)劃、相機(jī)參數(shù)設(shè)置、航拍作業(yè)進(jìn)行以及后續(xù)影像處理工作，其中步驟較為繁瑣的測(cè)繪進(jìn)程主要是航線規(guī)劃以及影像處理工作，其余三過程的熟練操作只是時(shí)間上的問題，并非技術(shù)性難題，如下將分類分步驟對(duì)每一工作進(jìn)程進(jìn)行細(xì)致分析。

3.2 航測(cè)準(zhǔn)備工作布局

航測(cè)準(zhǔn)備工作是無人機(jī)到達(dá)目的測(cè)繪區(qū)之前的準(zhǔn)備工作，由于大疆小型旋翼無人機(jī)幾乎都采用電池供電，并非汽油等化石能源功能，所以進(jìn)行電池充電準(zhǔn)備尤為重要，受限于電池容量以及續(xù)航能力限制，大疆小型旋翼無人機(jī)單次測(cè)繪時(shí)間在20分鐘左右，電池充電需一小時(shí)，所以配備三塊以上電池可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間測(cè)繪工作需求。電池使用時(shí)間同樣受到氣候、風(fēng)力條件等多方面影響，在測(cè)定時(shí)應(yīng)做到隨用隨充，以保證電池電量充足。為了根據(jù)地圖路線進(jìn)行多元探測(cè)工作，應(yīng)根據(jù)主流地圖軟件定位精確測(cè)定區(qū)域，將地圖地標(biāo)kml文件通過OTG或無線信號(hào)傳輸方式移接至遙控器內(nèi)部，根據(jù)內(nèi)部轉(zhuǎn)碼器可為設(shè)定路線進(jìn)行綜合性鋪墊。與手動(dòng)測(cè)繪模式相比，導(dǎo)入kml文件模式范圍更加精確，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部也可根據(jù)預(yù)設(shè)好系統(tǒng)程序進(jìn)行測(cè)繪規(guī)劃，以達(dá)成高精度、高質(zhì)量成型的測(cè)繪需求。

3.3 航線規(guī)劃工作

在小型旋翼無人機(jī)動(dòng)力逐漸提升的今天，無人機(jī)的有效飛行高度日益攀升，嚴(yán)重干擾了民航客機(jī)以及軍用飛機(jī)的正常使用，為了保證航空飛行器的安全，國家在全國范圍內(nèi)設(shè)置了禁飛區(qū)與限飛區(qū)，為的就是約束飛行人行為，確保飛行工作開展有序性與科學(xué)性。在對(duì)航線進(jìn)行規(guī)劃工作前，準(zhǔn)備信號(hào)良好的上網(wǎng)卡尤為重要，其不但可提供給無人機(jī)實(shí)時(shí)性動(dòng)態(tài)性定位功能，同時(shí)可保障RTK獲取固定解。在路線規(guī)劃時(shí)，有效設(shè)定最低高度，是繞開高聳建筑物的有效針對(duì)性解決方法，確保無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)安全的前提下開展測(cè)繪工作。

例如在對(duì)川渝地區(qū)測(cè)定時(shí)，通過地圖導(dǎo)入以及3D模型構(gòu)建方式對(duì)路線進(jìn)行規(guī)劃將有助于小型旋翼無人機(jī)測(cè)定程序化、系統(tǒng)化，在立交橋與建筑物之間穿梭同時(shí)保證測(cè)繪準(zhǔn)確性。

3.4 相機(jī)參數(shù)調(diào)整

相機(jī)參數(shù)調(diào)整是經(jīng)驗(yàn)型工作，調(diào)整的目的是為了獲取更為清晰的航測(cè)圖片，通常小型旋翼無人機(jī)內(nèi)部攝影機(jī)構(gòu)都預(yù)置AI拍攝模式，但此模式具有一定局限性，所以在小型旋翼無人機(jī)起飛前進(jìn)行默認(rèn)設(shè)定，功能設(shè)定時(shí)選擇拍攝完畢后自動(dòng)返回，云臺(tái)角度拍攝選擇正向-90°，以獲取最大效果，同時(shí)關(guān)閉畸變修正功能，以發(fā)揮照相機(jī)構(gòu)的全域構(gòu)圖能力。同時(shí)，預(yù)設(shè)圖片比例、根據(jù)測(cè)繪元素顏色進(jìn)行曝光光圈ISO設(shè)置，以達(dá)成對(duì)測(cè)繪元素動(dòng)態(tài)捕捉。

3.5 航拍作業(yè)

測(cè)繪人員首先應(yīng)取得相應(yīng)無人機(jī)駕駛許可，以能熟練控制無人機(jī)俯仰、側(cè)傾情況，飛行時(shí)應(yīng)有效預(yù)判電池電量，一旦系統(tǒng)計(jì)算電池電量較低應(yīng)立刻返航時(shí)，應(yīng)及時(shí)同意此指令操作。航拍作業(yè)期間應(yīng)注重天氣變化，一旦出現(xiàn)雷雨天氣應(yīng)立刻返航，及時(shí)停止測(cè)繪工作保證無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)安全可靠，避免受到雷擊。對(duì)于細(xì)節(jié)較強(qiáng)區(qū)域拍攝應(yīng)采用多回路、多重拍攝方法進(jìn)行往返拍攝，以達(dá)到最終拍攝效果為目的。

3.6 影像處理工作

當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后，可通過取出機(jī)身內(nèi)部儲(chǔ)存卡的方式進(jìn)行攝影文件讀取，對(duì)于錄制視頻應(yīng)注重對(duì)視頻幀率檢查，對(duì)于相片檢查時(shí)，應(yīng)特別注重照片上部POS信息與空間位置信息是否一致，在影像標(biāo)記控制點(diǎn)進(jìn)行初次空三解算，獲取控制點(diǎn)的大致位置，通過協(xié)同相控點(diǎn)來完成基部控制點(diǎn)完善工作。

4 總結(jié)

小型旋翼無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在使用時(shí)應(yīng)注重與全站儀的協(xié)同性計(jì)算工作，在正常測(cè)繪作業(yè)開展前進(jìn)行充足及完善的航測(cè)作業(yè)準(zhǔn)備工作、航線規(guī)劃工作、根據(jù)測(cè)繪員的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行照相機(jī)參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)，通過航拍作業(yè)來進(jìn)行最終影像處理工作，以實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量土地測(cè)繪工作，為保證國家整體國土安全提供必要基礎(chǔ)性保障。