論地形測(cè)繪中無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

黃禮強(qiáng)

綿陽(yáng)東展空間信息科技有限公司 四川 綿陽(yáng) 621000

鑒于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)地形圖的需求也逐漸增加。現(xiàn)有的地形測(cè)繪大多采用GPS、全站儀等常規(guī)設(shè)備，先進(jìn)行控制測(cè)量，然后再進(jìn)行碎部測(cè)量，完成外業(yè)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集后，還需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)繪圖，最后還要編輯圖形及輸出圖形。這些傳統(tǒng)的地形測(cè)繪作業(yè)模式的共同點(diǎn)就是，外業(yè)實(shí)地采集數(shù)據(jù)需要大量人力和物力，對(duì)于作業(yè)人員不能到達(dá)的區(qū)域，就會(huì)出現(xiàn)較大的問(wèn)題，而且工作相率較低，成本較高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在測(cè)繪地理信息行業(yè)中運(yùn)用了比較先進(jìn)的數(shù)字航空攝影測(cè)量技術(shù)，尤其是無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以充分發(fā)揮高速、低成本、高效率、高精度的優(yōu)勢(shì)，為測(cè)繪行業(yè)發(fā)展增添動(dòng)力。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的介紹

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)就是無(wú)人機(jī)平臺(tái)與數(shù)碼相機(jī)信息采集技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，主要由硬件和軟件系統(tǒng)部分組成。硬件系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括數(shù)控拍攝、遠(yuǎn)程飛行操控、通信數(shù)據(jù)預(yù)處理等。無(wú)人機(jī)航測(cè)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效準(zhǔn)確、消耗成本低、操作簡(jiǎn)單、適用范圍較廣等特點(diǎn)，尤其適用在小范圍、飛行困難地區(qū)的地理信息采集工作。隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的推廣，在重大工程建設(shè)領(lǐng)域、國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害應(yīng)急與處理等方面廣泛應(yīng)用。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

(1)成本相對(duì)較低且操作簡(jiǎn)單。無(wú)人機(jī)航測(cè)平臺(tái)構(gòu)建、維護(hù)以及作業(yè)成本相對(duì)較低，對(duì)操作員的培養(yǎng)周期相對(duì)較短，設(shè)備系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡(jiǎn)便等。

(2)機(jī)動(dòng)靈活且安全性高。無(wú)人機(jī)低空飛行，受天氣因素的影響較小，無(wú)需機(jī)場(chǎng)起降，對(duì)起降場(chǎng)地要求較低，同時(shí)飛行審批手續(xù)、流程也簡(jiǎn)單易辦。將無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)、村莊等測(cè)繪項(xiàng)目中，由于其具有機(jī)動(dòng)靈活、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速到達(dá)測(cè)區(qū)。無(wú)人機(jī)航測(cè)活動(dòng)是非載人飛行，在高危地域獲取測(cè)繪數(shù)據(jù)時(shí)可更大程度上降低危險(xiǎn)性。

(3)作業(yè)周期短及效率高。在面積范圍較小的大比例尺地形測(cè)量任務(wù)中，使用無(wú)人機(jī)航測(cè)受地形因素影響較小，能夠進(jìn)入各種復(fù)雜地域（高原、盆地、林地等）進(jìn)行攝影，獲取準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)信息，有效拍攝時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)效率得到了極大提高。

(4)測(cè)圖的精度較高。無(wú)人機(jī)正常作業(yè)的飛行高度一般在100-800m之間，可以滿足1：500、1:1000、1:2000的分辨率的DOM、DLG的航拍要求，攝影測(cè)量精度達(dá)到了亞米級(jí)，精度范圍通常在0.1-0.5m。由于各種設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)整體集成技術(shù)相對(duì)成熟，能夠獲取高分辨率的數(shù)字影像和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，能夠滿足測(cè)繪行業(yè)的需要。

(5)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益較高。這主要是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的成本投入相對(duì)較低，而且通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)接收預(yù)處理等技術(shù)，不僅能有效地收集各種地理數(shù)據(jù)，而且能創(chuàng)造具有巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的航空攝影技術(shù)。通過(guò)低空飛行，不僅可以獲得大范圍的攝影資料，而且可以縮短距離和測(cè)繪周期，具有很大的社會(huì)效益[1]。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中，受到外界各種復(fù)雜因素影響較多，同時(shí)存在很多不確定性。例如:

(1)全局位置和加密精度是從局部測(cè)量網(wǎng)絡(luò)充分估計(jì)的，模型誤差相對(duì)較小，但方向精度可能會(huì)超過(guò)模型限制。這些單個(gè)點(diǎn)的定向精度超過(guò)了一個(gè)閾值，該閾值會(huì)導(dǎo)致整個(gè)顯示器的定向點(diǎn)出現(xiàn)較大的投影。

(2)無(wú)人機(jī)在實(shí)地使用中存在一定的局限性。這是由于城市高層建筑多，人口密度高，無(wú)人機(jī)很難找到合適的起降地點(diǎn)。此外，不同類型的無(wú)人機(jī)對(duì)起降、疏散條件和通信范圍的要求也不同。因此，始終難以在任何時(shí)候和任何情況下獲得無(wú)人機(jī)地形測(cè)量。

(3)無(wú)人機(jī)體積小、重量輕，配備常規(guī)航拍設(shè)備，無(wú)法進(jìn)行航拍，而且大多是經(jīng)過(guò)改造（電路處理和改裝）后的普通反光鏡。使用無(wú)線相機(jī)拍攝航拍照片，感光相機(jī)的偏移量往往很小，這意味著成圖效果質(zhì)量不符合高精度測(cè)量要求。

(4)無(wú)人機(jī)通常有兩種動(dòng)力來(lái)源：燃料和電池。如果無(wú)人機(jī)配備的電池為8000mAh，續(xù)航時(shí)間只能維持45～50min。消耗燃料的無(wú)人機(jī)會(huì)增加續(xù)航時(shí)間，但無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在飛行過(guò)程中需要人工進(jìn)行干預(yù)對(duì)航線及拍攝影像等進(jìn)行修正。在高空飛行時(shí)突然遇到強(qiáng)風(fēng)（或強(qiáng)氣流、強(qiáng)磁場(chǎng)等）時(shí)，可能造成無(wú)人機(jī)不受控制偏離規(guī)劃航線，攝影成像獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量及測(cè)控精度將受到嚴(yán)重影響。

4 地形測(cè)量中無(wú)人機(jī)航測(cè)的應(yīng)用分析

4.1 像片控制

(1)影像資料分析

使用無(wú)人機(jī)航測(cè)時(shí)，考慮到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以將數(shù)字圖像頁(yè)面通過(guò)間隔和重疊分別微調(diào)30%和40%。同時(shí)，檢查航向重疊程度并保持在65%-75%以內(nèi)。通過(guò)這種檢查，可以確保拍攝區(qū)域在航拍過(guò)程中沒(méi)有缺陷，并檢查拍攝路線的完整性；增大航向旁向重疊率，可以確保影像拼接時(shí)沒(méi)有漏洞，使生成的圖像質(zhì)量滿足的測(cè)量技術(shù)規(guī)范要求。

(2)像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)在空曠，四周無(wú)遮擋，在以像控角度傾斜45°的地方（與地面夾角），盡量保持無(wú)人機(jī)能拍攝到像控點(diǎn)。像控點(diǎn)應(yīng)清晰，易于識(shí)別和便于測(cè)量。共用像控點(diǎn)一般布設(shè)在航向及旁向6片重疊范圍內(nèi)，選定特別困難時(shí)也可以在5片重疊范圍內(nèi)，像控點(diǎn)距圖像邊緣不少于1-1.5cm。

4.2 像控點(diǎn)測(cè)量

像控點(diǎn)測(cè)量主要采用“GPS RTK”方法進(jìn)行測(cè)量，基準(zhǔn)站應(yīng)架設(shè)在測(cè)區(qū)中部位置或測(cè)區(qū)最高處，以保證移動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間數(shù)據(jù)鏈的無(wú)遮擋傳輸。通過(guò)移動(dòng)站鏈接基準(zhǔn)站對(duì)已知控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的換算校核，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取時(shí)，已知控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于3點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)換參數(shù)的殘差值小于0.03m，然后利用專用對(duì)中桿進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量，像控點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間均大于60s，并記錄該點(diǎn)平面坐標(biāo)及其高程值，確保像控點(diǎn)的點(diǎn)位精度。

4.3 選取飛行平臺(tái)及攝影相機(jī)

選用DJI四旋翼垂直起降無(wú)人機(jī)自帶高精度差分GPS，采用3500mAh 12V大容量鋰電池，能量最大值為42Wh，飛行時(shí)振動(dòng)小，巡航速度5-20m/s，曝光時(shí)長(zhǎng)小于1/1600s，可以保證像點(diǎn)位移在1/3像素以內(nèi)；相機(jī)參數(shù)，選用2000 萬(wàn)像素具有12.6檔動(dòng)態(tài)范圍，單像素高達(dá)2.4μm，搭配成像質(zhì)量較好1英寸大底CMOS鏡頭。

4.4 科學(xué)規(guī)劃航線

科學(xué)地規(guī)劃無(wú)人機(jī)航跡線路是任務(wù)規(guī)劃的核心內(nèi)容，需要綜合地應(yīng)用GPS導(dǎo)航技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控及數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字信息化處理技術(shù)，以獲得全面詳細(xì)的無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)以及環(huán)境信息。首先是飛行前預(yù)規(guī)劃，即根據(jù)既定測(cè)量任務(wù)，結(jié)合空域限制與飛行約束條件，從整體上制定最優(yōu)參考路徑；其次是飛行過(guò)程中的調(diào)整規(guī)劃，即根據(jù)飛行過(guò)程中遇到的突發(fā)情況，如地形較大變化、氣象變化、未知限飛禁飛等因素，動(dòng)態(tài)地調(diào)整飛行路徑或改變動(dòng)作任務(wù)。結(jié)合無(wú)人機(jī)自身技術(shù)指標(biāo)特點(diǎn)，按照一定的航跡規(guī)劃方法，制定最優(yōu)或次優(yōu)路徑方案。因此，飛行航線規(guī)劃需要充分考慮電子地圖的選取、標(biāo)會(huì)、航線預(yù)定規(guī)劃以及在線調(diào)整時(shí)機(jī)。

4.5 無(wú)人機(jī)航攝

根據(jù)申請(qǐng)飛行區(qū)域及飛行時(shí)段，按照內(nèi)業(yè)規(guī)劃的航跡線路進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)，找到合適的起飛和降落地點(diǎn)，對(duì)每塊區(qū)域進(jìn)行拍攝采集照片。

(1)飛行執(zhí)行。在設(shè)備檢查完成，并對(duì)即將飛行的空域進(jìn)行安全確認(rèn)，將無(wú)人機(jī)解鎖起飛。無(wú)人機(jī)操作人員通過(guò)遙控器實(shí)時(shí)控制飛行，地面數(shù)據(jù)收集人員通過(guò)飛機(jī)傳輸回來(lái)的參數(shù)觀察飛機(jī)狀態(tài)。無(wú)人機(jī)到達(dá)安全飛行高度后，操作人員通過(guò)遙控器收起起落架，將飛行模式切換為自動(dòng)任務(wù)飛行模式。同時(shí)，無(wú)人機(jī)操作人員需通過(guò)目視對(duì)無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)關(guān)注，地面數(shù)據(jù)收集人員留意飛控軟件中飛行姿態(tài)、電池狀況、飛行速度、飛行高度、航線完成情況等，以此保證飛行安全。若飛行過(guò)程中，信號(hào)缺失，需假設(shè)網(wǎng)絡(luò)RTK 或建立無(wú)線電臺(tái)和地面站。

(2)飛行監(jiān)控。飛行過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注飛行器狀態(tài)、高度速度以及實(shí)時(shí)圖傳，飛行器衛(wèi)星數(shù)，遙控器信號(hào)，飛行器電池電量。通過(guò)遙控器顯示屏的相機(jī)回傳信息小窗口監(jiān)測(cè)相機(jī)五個(gè)視角是否正常持續(xù)拍照。

(3)飛行結(jié)束。無(wú)人機(jī)完成設(shè)定的飛行任務(wù)后，降落時(shí)應(yīng)確保降落地點(diǎn)安全，避免路人靠近。降落成功后及時(shí)檢查攝像機(jī)中的影像數(shù)據(jù)、飛控系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)是否完整。根據(jù)收集的完整數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不合格的影像區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求。

4.6 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量也是無(wú)人機(jī)航測(cè)中比較常見(jiàn)的技術(shù)，主要是利用無(wú)人機(jī)處理軟件進(jìn)行空三加密解算，將地形位置信息準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)。數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度較高，處理過(guò)程中對(duì)控制點(diǎn)文件、相機(jī)參數(shù)文件、POS數(shù)據(jù)以及原始影像的準(zhǔn)備。在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的運(yùn)行中，必須盡量減少人為干預(yù)的影響，再通過(guò)POS數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，對(duì)連接點(diǎn)自動(dòng)匹配及提取，自動(dòng)對(duì)粗點(diǎn)和差點(diǎn)進(jìn)行篩選，同時(shí)檢查整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)部連接點(diǎn)的分布情況，對(duì)部分不滿足要求的連接點(diǎn)可以進(jìn)行人工手動(dòng)增加，從而確保航線和所建模型之間的連接強(qiáng)度滿足要求。

4.7 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)收集以無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，MapMatrix軟件廣泛應(yīng)用于4D數(shù)據(jù)生產(chǎn)，可以深入分析各種地形地貌特征，提高有效測(cè)量效果。此外，測(cè)繪人員采用分層存儲(chǔ)格式，有效組合點(diǎn)、線、面信息，進(jìn)行地形分析，檢查采集有無(wú)遺漏、綜合取舍情況，將采集到的圖形信息認(rèn)真翔實(shí)記錄，方便后續(xù)操作。

4.8 內(nèi)業(yè)數(shù)字化測(cè)圖處理

(1)地物地貌測(cè)繪。通過(guò)航拍地形特征繪制地圖。三維測(cè)圖可采用全野外調(diào)繪后測(cè)圖，或通過(guò)內(nèi)判測(cè)圖后外業(yè)對(duì)照、補(bǔ)測(cè)和補(bǔ)調(diào)的方法。首先，航拍照片的當(dāng)前位置非常好，可以準(zhǔn)確判斷地物地貌特征元素，根據(jù)測(cè)繪制圖要求分析直接測(cè)繪在圖板上。對(duì)不能準(zhǔn)確判準(zhǔn)的地物地貌元素，內(nèi)業(yè)作業(yè)人員提出疑問(wèn)轉(zhuǎn)交給外業(yè)人員處理。

(2)接邊和結(jié)尾處理。若地物、地貌相關(guān)元素?zé)o法準(zhǔn)確判斷，內(nèi)業(yè)工作僅需將外在輪廓繪制出來(lái)即可，其它作為疑點(diǎn)交給外業(yè)做相應(yīng)處理；外業(yè)工作負(fù)責(zé)檢查、核對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)繪工作，并對(duì)目標(biāo)明確、元素清晰的部分進(jìn)行抽查，補(bǔ)調(diào)內(nèi)業(yè)工作無(wú)法識(shí)別的地物、地貌、地形元素。地物、地貌測(cè)量時(shí)，應(yīng)在對(duì)應(yīng)儀器上和已完成繪圖邊進(jìn)行接邊處理，每張圖像測(cè)量完畢后，應(yīng)仔細(xì)調(diào)整和仔細(xì)檢查。

4.9 外業(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪的內(nèi)容在圖上表示時(shí)要求必須清晰可見(jiàn)，同時(shí)各種標(biāo)記要準(zhǔn)確無(wú)誤、位置合適、書寫工整。補(bǔ)測(cè)時(shí)，可以采用以明顯地點(diǎn)為起始點(diǎn)的交會(huì)法或截距法。成片的用全站儀或GPS RTK進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，外業(yè)補(bǔ)測(cè)地物精度也要符合設(shè)計(jì)中的規(guī)定，滿足相應(yīng)的精度要求[2]。

4.10 精度檢查

對(duì)繪制圖幅成果精度進(jìn)行隨機(jī)檢查。

(1)檢查點(diǎn)立體量測(cè)，將“空三”結(jié)果導(dǎo)入到全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，在立體上量測(cè)檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)。

(2)檢查點(diǎn)野外量測(cè)，使用科力達(dá)GPS RTK 測(cè)量檢查點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

(3)精度對(duì)比，以檢查點(diǎn)位測(cè)量精度，其平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計(jì)算。

式中：

m1——檢查點(diǎn)中誤差，單位為米(m);

Δi——檢查點(diǎn)野外實(shí)測(cè)值與立體觀測(cè)值的誤差，單位為米(m);

n ——參與評(píng)定精度的檢查點(diǎn)數(shù)(每幅圖20-50個(gè))。

4.11 成果質(zhì)量檢查驗(yàn)收

測(cè)量成果檢查驗(yàn)收，采用HBCORS RTK網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)方法動(dòng)態(tài)確定DLG圖的精度。其中包括36張實(shí)地巡檢圖像和43張實(shí)檢圖像，共占21.3%。地圖上總共有 53 個(gè)點(diǎn)有明亮的物體，例如田野和山脊的交叉點(diǎn)、房屋的角落。從飛機(jī)的精度和海拔高度入手，將地面實(shí)測(cè)坐標(biāo)與地圖上得到的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以下是DLG地圖精度統(tǒng)計(jì)（部分?jǐn)?shù)據(jù)）得到的結(jié)果：田野、山脊、房角的平面位置最大中誤差是53.7cm（限差為60cm），最大誤差是58.6cm（限差為120cm）；高程最大中誤差是63.5cm(限差為70cm)，最大誤差是68.7cm（限差為140cm）。符合《1:500 1:1000 1:2000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》（GB/T 15967-2008）規(guī)定精度要求最大誤差不應(yīng)超過(guò)兩倍中誤差，成果質(zhì)量檢查合格[3]。

4.12 注意事項(xiàng)

(1)在航空攝影測(cè)量過(guò)程中，測(cè)繪人員必須審查最終數(shù)據(jù)以及測(cè)量區(qū)域的實(shí)際位置。對(duì)各種航拍設(shè)備進(jìn)行科學(xué)校準(zhǔn)和全面檢查。航拍設(shè)備的科學(xué)校準(zhǔn)檢查可以有效減少錯(cuò)誤，從而避免圖像失真，使最終的航測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

(2)根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際位置，采用自動(dòng)化操作方式，利用先進(jìn)的信息系統(tǒng)，正確分配各個(gè)方位點(diǎn)。在滿足測(cè)量規(guī)范以及客戶的精度要求，盡量減少錯(cuò)誤測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出，為了大大提高測(cè)量質(zhì)量，必須及時(shí)加密存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并避免數(shù)據(jù)丟失。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合使用無(wú)人機(jī)航空攝影進(jìn)行地形測(cè)量，極大地提高了測(cè)繪效率，并縮短周期且消耗成本相應(yīng)降低，同時(shí)提升了對(duì)土地信息的采集和數(shù)據(jù)處理能力，為當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。了解無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重要性，在測(cè)繪工作運(yùn)用和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)地形測(cè)量的自動(dòng)化操作和智能化分析，并推動(dòng)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在測(cè)繪行業(yè)方面的發(fā)展。