無人機航測在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用探究

王云超

（中牟縣天宇規(guī)劃測繪隊，河南 鄭州 451450）

1 航空攝影測繪的發(fā)展概述

具體而言，航空攝影測量技術(shù)是從空中視點拍攝完成測量測繪工作的技術(shù)。與傳統(tǒng)的測量測繪技術(shù)相比，航空攝影能夠以廣闊的視野完成測量和測繪，其應(yīng)用效果很快得到業(yè)界的認(rèn)識，并在測繪領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。在航空攝影測量中，航空相機是測繪的重要裝置，是圖像獲取的關(guān)鍵。由于其性能和質(zhì)量直接影響后續(xù)測量和測繪操作的完成，因此必須仔細(xì)選擇空中攝像機。在社會發(fā)展的過程中，特定種類的空中攝像機越來越多樣化，因此所能提供的遙感圖像的形式也非常多樣。但是，就航空照相機而言，從非物理屬性方面來看，主要有兩種：一種是膠卷式照相機，另一種是數(shù)碼照相機。前者需要得到底片，通過它來拍照，然后打印出來；后者可以直接提供電子文件。隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，數(shù)碼相機得到了廣泛的使用，拍攝的數(shù)碼照片也有助于提高處理后的效率。與傳統(tǒng)飛機相比，無人機在便利性和靈活性上有明顯的優(yōu)勢，因此可以說無人機與測繪的結(jié)合是必然發(fā)展。使用無人機航測不僅大大提高了測量和測繪的便利性，還大大降低了成本，提高了效率[2]。首先需要設(shè)定無人機的飛行路徑，然后完成拍攝系統(tǒng)和地面信號接收系統(tǒng)之間的連接，并設(shè)定飛行系統(tǒng)的正確參數(shù)，以此來完成航測。

2 無人機航測技術(shù)概述

2.1 原理

隨著測量測繪領(lǐng)域無人機技術(shù)的發(fā)展，我國測量測繪技術(shù)的水平得到了廣泛提高。無人機的航測技術(shù)是利用無人機作為飛行平臺，將高分辨率攝影設(shè)備和激光雷達組成圖像采集同步傳輸?shù)倪h(yuǎn)程操作設(shè)備，實時掌握調(diào)查區(qū)域的情況。圖像信息獲取系統(tǒng)是由地面監(jiān)測和飛行控制系統(tǒng)組成。在無人機的航測中，地面監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取的圖像信息的整合和預(yù)處理、質(zhì)量檢查、三維模型的構(gòu)建、核圖像的生成。飛行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制按照預(yù)定路線飛行的無人機，在特殊情況下，工作人員要遠(yuǎn)程控制無人機以避開障礙物并改變路線。因此，無人機航空測量技術(shù)可以在大規(guī)模的地形測繪任務(wù)中廣泛使用。在自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件的幫助下，可以分析測繪數(shù)據(jù)，提高測繪數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.2 優(yōu)勢

無人機由于操作方便和體型較小，可以適應(yīng)野外地形拍攝。與傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)相比，無人機航空攝影測量技術(shù)具有快速的航空測量響應(yīng)能力，無人機多處于低空飛行狀態(tài)，因此飛行應(yīng)用于空域更為方便[3]。在無人機飛行過程中，風(fēng)向變化會影響無人機的飛行路徑，但在飛行控制系統(tǒng)的幫助下，可以在短時間內(nèi)修改無人機的飛行路徑，降低外部環(huán)境對測量精度的影響。另外，作為小型飛機，無人機對著陸地點的要求較低，為了安全地完成無人機的著陸，將著陸點設(shè)在比較平坦的道路上，發(fā)射準(zhǔn)備時間控制在15分鐘以內(nèi)。但是，如果調(diào)查區(qū)的地質(zhì)條件太復(fù)雜，無人機將無法獨立起飛。在復(fù)雜地形的應(yīng)用中，無人駕駛飛行器的操作可以用于地形測繪，以提高測繪精度，滿足大規(guī)模地形圖的測繪要求。無人機航測系統(tǒng)配備了彩色數(shù)碼航空相機。在系統(tǒng)運行中，可以持續(xù)獲取超高分辨率數(shù)字圖像和高精度定位數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息生成3D 景觀模型和3D 照片圖。最終測量的形象質(zhì)量和準(zhǔn)確度明顯超過了大飛機的航測結(jié)果。同時，無人機航測技術(shù)可以有效滿足各種類型工程調(diào)查任務(wù)的精度要求。例如，將無人機航測系統(tǒng)切換至低高度遙感模式，在低高度超低高度環(huán)境下完成測量，并持續(xù)收集高度精度數(shù)據(jù)以滿足緊急情況下的救援等，以滿足資源調(diào)查和其他測量任務(wù)的運行要求。無人機航測具有高度的自動化，在飛行中自動完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析，不僅大大提高了航測數(shù)據(jù)獲取的效率，而且使用此數(shù)據(jù)執(zhí)行大規(guī)模地形映射將產(chǎn)生非常高的質(zhì)量。應(yīng)用傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)經(jīng)常會遇到數(shù)據(jù)及時性差的問題。存檔數(shù)據(jù)和程序拍攝獲取的圖像數(shù)據(jù)及時性差，會使測量任務(wù)無法在有限時間內(nèi)完成，導(dǎo)致測量結(jié)果與調(diào)查區(qū)的實際情況相矛盾。通過應(yīng)用無人機航測技術(shù)，可以同步發(fā)送獲取的圖像信息，進行數(shù)據(jù)處理操作，從而可以實時提供必要的結(jié)果。從檢測效率來看，無人機航測系統(tǒng)每天可以完成數(shù)百平方公里的測量，實際測量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過手動測繪。

2.3 無人機航測發(fā)展現(xiàn)狀

隨著近年來測量測繪技術(shù)的逐步提高，航空攝影測量技術(shù)得到了發(fā)展。從天空角度進行俯視拍攝，不僅視野開闊，地圖形態(tài)多樣化，航空測量和測繪的適用性和有效性也會得到很大提高。航空攝影測量由飛機和其他飛行設(shè)備支持，航空攝影設(shè)備是固定的，按照確立的飛行路線完成一系列的航空攝影任務(wù)。在這個過程中，在航測儀器的支撐下，可以持續(xù)收集地面遙感影像，綜合控制點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，使用專業(yè)儀器處理數(shù)據(jù)，建立三維模型，獲取地圖產(chǎn)品。在不同階段，航拍的焦點也不同，獲取數(shù)據(jù)信息的價值也以不同。航測現(xiàn)場作業(yè)是航空攝影測量的主要方面，如圖像信息提取和三維結(jié)構(gòu)構(gòu)建等。與其他測繪軟件相比，無人機航測在后續(xù)處理中更可靠，可以將相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄和保存。由于無人機的機身較小，所以應(yīng)用無人機航測技術(shù)受限制小，不會花太多時間。無人機航測需要在無人機飛行的幫助下，測量特定范圍內(nèi)的圖像，在圖像和視頻的獲取的幫助下，獲取特定的比例和數(shù)據(jù)信息。在功率驅(qū)動器的幫助下，由專人遠(yuǎn)程控制。無人機不僅可以在航拍中發(fā)揮自身的優(yōu)勢，還可以在災(zāi)害救援和運輸中發(fā)揮自身的優(yōu)勢，在測距方面具有低成本和特定的優(yōu)勢。今天，無人機航測技術(shù)有一定的優(yōu)點，但需要克服一定的缺點，例如氣象條件、光線和其他因素都會影響數(shù)據(jù)測量。因為無人機航測的質(zhì)量與這些因素密切相關(guān)，所以調(diào)查者需要做出合理的選擇，設(shè)置測量的海拔和天氣路徑。

3 無人機航測在大比例尺地形圖測繪中的有效應(yīng)用

3.1 無人機航測控制點的合理布設(shè)

在制定無人機航測的飛行路線和規(guī)劃采集圖像的信息點的過程中，以航測的原理為輔助，應(yīng)用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)法，可以合理配置圖像控制點，通常第一條路線和最后一條路線之間的配電必須達到標(biāo)準(zhǔn)。為了確保控制點布設(shè)方案的科學(xué)合理性，需要結(jié)合測量測繪領(lǐng)域的地形條件對控制點布設(shè)進行綜合分析。在無人機航測圖像獲取點布局的過程中，必須明確現(xiàn)有航線的分布規(guī)則，嚴(yán)格按照該規(guī)則，確保獲取點布局的合理性。為了避免對集合效果產(chǎn)生不必要的影響，其周圍的收集點布局需要全面分析特性，以確保圖像控制點的目標(biāo)清晰度。如果在特殊位置難以選擇圖像控制點的目標(biāo)，則通常需要合理選擇作為小目標(biāo)的高程點。局部檢測過程采用零碎擬合方法，合理選擇圖像控制點目標(biāo)，保證所采集圖像的透明度，便于確定對象的相交位置和頂點位置，從而更好地執(zhí)行大規(guī)模地形圖。將無人機航空測量技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模地形圖測繪時，需要合理配置無人機控制點。布局點要全面考慮測量區(qū)域的實際地形條件，選擇控制點，科學(xué)建立控制點的數(shù)量。無人駕駛飛機可以完成高效的圖像獲取，例如在特定路線上和在復(fù)雜的地形要素方面將相應(yīng)平面的相位控制點組合在一起，確定特定的范圍，定義測量區(qū)域內(nèi)的丘陵和地形要素，并基于一定數(shù)量的丘陵和地形驗證相位控制點。在復(fù)雜的地形要素方面，可以通過局部擬合進行局部控制。

3.2 空中三角測量

傳統(tǒng)的測量和測繪方法是三角測量，但它操作過程很復(fù)雜，耗費人力和物質(zhì)資源。因為測量三角形時，測量工作需要切換到連接點的選擇、測量等，所以傳統(tǒng)的操作方法不僅需要很多輔助操作，還需要很多工作時間，工作負(fù)荷的增加并不明顯。但是，由于有了最新的航測技術(shù)的支持，不再采用手工作業(yè)，自動信息收集處理得到了改變，空中三角測量的效果也得到了提高。在自動信息處理的過程中，利用計算機的支持完成所有操作，使整個映射操作流程標(biāo)準(zhǔn)化，效率明顯提高。計算機支持允許應(yīng)用特殊的處理算法自動篩選超出限制的點，以提高標(biāo)記點的利用率，滿足大規(guī)模地形圖的實際需要。根據(jù)大規(guī)模地形映射的特定要求，將手動確定點以確保點的適當(dāng)密度。受點顯示狀態(tài)支持，可以可視化不同目標(biāo)對象的三維結(jié)構(gòu)，從而更好地測量和繪制地圖。這種方法的應(yīng)用大大提高了操作的自動化水平，能夠滿足復(fù)雜地形的要求，因此操作速度也相對較快。借助GPS 技術(shù)的支持，可以準(zhǔn)確掌握航測中的無人機姿態(tài)，利用外部定向要素的支持準(zhǔn)確測量點的3D 坐標(biāo)，通過利用快速發(fā)展的POS技術(shù)，確保了大規(guī)模地形映射的有序發(fā)展。輔助處理方法高度標(biāo)準(zhǔn)化，得到輔助處理法的支持，就可以保證航測測繪的精度。測量自動三角測量時，可以有效簡化操作過程，通過計算機操作可以完成很多內(nèi)容。目前，空中三角測量越來越智能化，可以在選擇相同的名稱和連接點的同時排除一些嚴(yán)重錯誤。也就是說，通過計算機控制系統(tǒng)可以自動去除儀表盤外的點，根據(jù)現(xiàn)場實際需求進行選擇，有效實現(xiàn)立體圖像的對接，進一步提高加密點的質(zhì)量，最終完全起到空間加密的作用。這不僅提高了復(fù)雜地形的適應(yīng)性，還提高了加密的精度。

3.3 影像數(shù)據(jù)的采集與整理

一方面，數(shù)據(jù)檢索必須為無人機充分準(zhǔn)備，無人機內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲和加載必須確保數(shù)據(jù)存儲的安全性和可靠性。另一方面，需要明確接收數(shù)據(jù)信號，完成實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。特定數(shù)據(jù)完成后，可以通過相應(yīng)的軟件設(shè)置調(diào)查區(qū)域和路線，明確橫向距離的長度、方向、面積的分割。圖像獲取在測量和測繪中也是非常重要的鏈接，要順利進行這項工作，需要在起飛前做好準(zhǔn)備。起飛前，為了確保各無人機安裝指南管理系統(tǒng)的工作精度，要確認(rèn)各無人機的SD 卡設(shè)備的安裝工作，確保相關(guān)數(shù)據(jù)具有保存和管理的功能，還需要嚴(yán)格控制重疊的圖像，使用軟件確定無人駕駛飛機的測繪范圍和對應(yīng)的路徑。測量區(qū)域為矩形時，測量的面積根據(jù)長度可以分割為不同的區(qū)域、路線和高度來設(shè)定不同的區(qū)域。為了有效地進行無線廣播信號的實時接收，需要檢查無人飛機接收信號的無線接收控制功能，確保無人飛機能接收到無線信號。

3.4 地面端的控制系統(tǒng)和裝置

在無人機的航測系統(tǒng)中，地面端的控制系統(tǒng)和裝置是重要的組成部分。在建立地面控制系統(tǒng)的過程中，需要確保數(shù)據(jù)傳輸無線電、地面控制終端以及輔助計算機系統(tǒng)方面所反映的軟硬件基本設(shè)備的充分性。由地面控制系統(tǒng)支持的大規(guī)模地形測繪可以提供無人機飛行的指示，發(fā)送位置數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)信息發(fā)送的及時性。地面控制軟件的支持使各種信息的實時顯示成為可能，可以發(fā)揮監(jiān)視功能，獲取無人機的飛行數(shù)據(jù)和地理坐標(biāo)，提供更好的無人機飛行指示，根據(jù)實際測量、所需的映射和流程來調(diào)整特定的飛行路徑。地面控制裝置和系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了操作系統(tǒng)的完整性和無人機自動駕駛的安全性。由先進技術(shù)支撐、模仿的飛行路徑可以為無人飛行器自動飛行的穩(wěn)定性和安全提供保證。在無人機的特定飛行中，工作人員可以使用地面控制系統(tǒng)計算相關(guān)的飛行數(shù)據(jù)和位置信息，這些數(shù)據(jù)和位置信息可以起到實時調(diào)整的作用。

3.5 成果方面的驗收監(jiān)理過程

航測數(shù)據(jù)的處理在很大程度上決定了大規(guī)模地形圖的繪制質(zhì)量，需要從獲取的航測效果中選擇最佳圖像，將控制點圖像分組，從而為各組留出至少6 周的圖像，通過計算來處理相關(guān)信息。上述步驟完成后，可以根據(jù)處理的數(shù)據(jù)繪制大規(guī)模地形圖，通過3D 模型對圖像數(shù)據(jù)和地形信息進行比較分析，繪制出大規(guī)模地形圖。在成果方面的驗收監(jiān)理過程中，地形圖調(diào)查和測繪的負(fù)責(zé)人提供相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，驗收人員要嚴(yán)格核查數(shù)據(jù)，然后概括技術(shù)方面、技術(shù)設(shè)計師的檢測報告是否與技術(shù)設(shè)計師的檢測報告一致。在制造過程的最終質(zhì)量檢查時，做好相關(guān)記錄，按照監(jiān)督過程分析質(zhì)量，提出相關(guān)的解決方案。

4 結(jié)語

在大規(guī)模地形圖測量測繪應(yīng)用中，結(jié)合實際情況，設(shè)定路徑和圖像控制點，合理應(yīng)用地面控制裝置和系統(tǒng)，能綜合提高地形測繪的質(zhì)量和效率，確保測繪的精度，為地質(zhì)學(xué)操作的順利實現(xiàn)提供可靠的支持。在現(xiàn)代工程項目中，為了綜合提高工程勘察的精度和效率，突破現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用極限，企業(yè)要更加注意和應(yīng)用無人機航空勘察技術(shù)，深入了解技術(shù)原則和優(yōu)點，確保技術(shù)的合理性。