無人機遙感技術(shù)在測繪工程測量中的運用策略

段 偉

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣西總隊 廣西 桂林 541002）

0 引言

近年來，無人機遙感技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于測繪工程測量中，并成為一種典型測量技術(shù)。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可有效避免傳統(tǒng)測量中的各方面因素影響，進(jìn)一步提升測繪效率和質(zhì)量，充分滿足當(dāng)今多樣化和復(fù)雜化的測繪工程測量需求。因此，在具體的測繪工程測量中，相關(guān)單位與工作人員應(yīng)加強此類技術(shù)的研究，并根據(jù)實際的工程情況與需求對其加以合理應(yīng)用。通過這樣的方式，才可以充分發(fā)揮出此項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，實現(xiàn)測繪工程測量結(jié)果的快速、準(zhǔn)確獲取。

1 項目背景

本次所研究的是廣西崇左市公益礦區(qū)水泥用石灰?guī)r礦區(qū)測繪項目，因本次項目涉及的地形比較復(fù)雜，包括平地、丘陵、山地以及高山地等地形，如果通過傳統(tǒng)的人工方式進(jìn)行工程測量，不僅會花費大量的時間與人力，同時也會由于一些區(qū)域測量者難以到達(dá)，而影響到最終的測量精度。所以為實現(xiàn)該項目的順利、高效開展，相關(guān)單位決定采用無人機遙感技術(shù)對沿線區(qū)域中的地理信息進(jìn)行測繪，以此來實現(xiàn)地勢地貌信息的真實、精確獲取，并對居民建房面積以及征地拆遷范圍信息加以詳細(xì)調(diào)查。在該項目正式開展之前，通過無人機遙感技術(shù)對該項目所在地進(jìn)行了地形測量，從而實現(xiàn)了DLG（數(shù)字線劃圖）、DEM（數(shù)字化高程模型）以及DOM（數(shù)字化正射影像圖）數(shù)據(jù)信息的形成，獲得了具有較高分辨率和良好清晰度的攝影資料。本文主要對無人機遙感技術(shù)在其工程測繪中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2 無人機遙感航攝系統(tǒng)概述

在通過無人機遙感航攝技術(shù)進(jìn)行工程測量的過程中，相關(guān)單位與操作人員一定要對無人機遙感航攝系統(tǒng)做充分了解，包括其系統(tǒng)組成、主要原理和系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢等，以此來為后續(xù)的無人機操作與遙感航攝測量奠定堅實基礎(chǔ)。

2.1 系統(tǒng)組成

在無人機遙感航攝系統(tǒng)中，主要的組成部分包括無人機飛行平臺、地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中無人機飛行平臺中主要包括無人機、機載電子設(shè)備以及任務(wù)荷載；地面控制系統(tǒng)主要包括地面站設(shè)備以及地面站軟件；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理軟件[1]。

2.2 系統(tǒng)主要原理

無人機是一種不需要人員駕駛的飛行器，這種飛行器可在飛行驅(qū)動設(shè)備的驅(qū)動下實現(xiàn)懸空行進(jìn)，其飛行路線比較靈活，對于陸地環(huán)境也沒有過高要求，通過終端控制，便可快速到達(dá)人員難以到達(dá)的區(qū)域，根據(jù)相應(yīng)的指令進(jìn)行信息采集。遙感技術(shù)可分為光遙感技術(shù)、紅外光遙感技術(shù)以及微波遙感技術(shù)等，傳感器是其核心設(shè)備。借助于傳感器，可接收被測對象所衍生的電磁波，并對其進(jìn)行處理，然后將其以圖像的形式傳輸給操控終端。而無人機遙感航攝技術(shù)就是無人機技術(shù)和遙感技術(shù)之間的有機結(jié)合，將遙感設(shè)備搭載到無人機上，對被測區(qū)域進(jìn)行航攝，這樣便可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的科學(xué)、全面獲取，為相關(guān)單位的測量數(shù)據(jù)研究提供有效依據(jù)。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

就目前的測繪工程測量來看，無人機遙感技術(shù)的主要應(yīng)用優(yōu)勢包括以下幾個方面：（1）測繪效率與靈活性較高。無人機具有良好的機動性能，反應(yīng)靈敏，且十分靈活，實際測量中不需要人工駕駛，也不會受天氣環(huán)境等因素限制。（2）分辨率高。通常情況下，其測繪境地可控制在0.1～0.5 m，且具有通信功能，可將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)，并通過計算機進(jìn)行分析與處理，以此來實現(xiàn)測繪數(shù)據(jù)的高效利用。（3）運行周期短，成本低。具體測繪中，并不需要進(jìn)行專門的降落場地設(shè)置，且一名工作人員即可操控一臺無人機，可實現(xiàn)土地與人力資源成本的顯著節(jié)約。由此可見，無人機遙感技術(shù)在當(dāng)今的測繪工程測量中具有非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。

3 無人機遙感技術(shù)應(yīng)用分析

在通過無人機遙感技術(shù)進(jìn)行工程測繪的過程中，合理的技術(shù)應(yīng)用是確保測繪精度、滿足測繪工作質(zhì)量要求的關(guān)鍵。為實現(xiàn)此項技術(shù)的良好應(yīng)用，本次測量中，主要通過以下幾個方面的措施來進(jìn)行測量。

3.1 航線設(shè)計

在對本次測繪區(qū)域進(jìn)行無人機遙感測量的過程中，對設(shè)備的初始化輸入以及設(shè)計輸入情況進(jìn)行了合理設(shè)計。表1為本次測繪區(qū)域中的初始化輸入數(shù)據(jù)情況。

表1 本次測繪區(qū)域中的初始化輸入數(shù)據(jù)情況

表2為本次測繪區(qū)域中的設(shè)計輸入數(shù)據(jù)情況。

表2 本次測繪區(qū)域中的設(shè)計輸入數(shù)據(jù)情況

3.2 像控點布設(shè)與測量

根據(jù)本次工程的實際需求，相關(guān)單位決定通過區(qū)域網(wǎng)布設(shè)的方式來設(shè)置平面像控點。在此過程中，所有的平面控制點都需要設(shè)置為平均高度控制點位，然后根據(jù)航攝資料中的具體條件以及成圖方面的精度要求來進(jìn)行各個像控點的區(qū)域、跨度以及網(wǎng)絡(luò)大小確定。通過本次測量項目以及無人機遙感技術(shù)方面的要求，最終進(jìn)行了一對平高點、兩條航線和四條基線選擇，將4個控制點設(shè)置在兩航線和區(qū)域邊緣之間的交叉重疊處，并對控制點范圍進(jìn)行科學(xué)確定，這樣才可以使其處在拍攝的照片中間[2]。

3.3 空中三角測量

在具體的工程測繪過程中，無人機遙感技術(shù)會與前后方交會相結(jié)合，然后通過計算機來實現(xiàn)特殊點位或加密點位的空間坐標(biāo)獲取，這種方法稱為空中三角測量法。此方法的精度主要從兩個方面分析，第一是理論方面，加密點坐標(biāo)改正數(shù)值可視為隨機誤差值，按照最小二乘法平差函數(shù)和協(xié)方差，可對坐標(biāo)改正數(shù)值進(jìn)行方差以及協(xié)方差矩陣關(guān)系計算，這樣便可實現(xiàn)平差精度的獲取。第二是將地面測繪數(shù)值視為真實坐標(biāo)，對地面上的控制點位平差坐標(biāo)和測繪坐標(biāo)的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行分析，將多余控制點位坐標(biāo)值用來替代檢查點位以及多余觀測值，從而實現(xiàn)平差精度的有效計算。在通過該方法進(jìn)行測量的過程中，通常會采用實際的精度數(shù)值對更貼合實際的測繪數(shù)據(jù)加以表示。就理論層面而言，如果測繪數(shù)據(jù)不會被不必要的誤差所影響，實際精度便可與理論精度相等同。但是在實際的工程測繪中，其實際精度和理論精度之間一定會有誤差存在，不同精度也會使得平差模型和觀測值誤差不同。因此，在平差測量的過程中，多余控制點觀測至關(guān)重要。

3.4 理論和實際精度指標(biāo)分析

在理論精度方面，無人機遙感測量系統(tǒng)的理論精度主要為空三測量內(nèi)部精度，它可以將測繪區(qū)域中的偶然誤差分布規(guī)律直接反映出來，并和點位分布之間建立起一定的關(guān)聯(lián)。在理論精度計算中，主要應(yīng)用平差測繪中的未知數(shù)協(xié)方差矩陣，其中的第i個理論精度計算公式如下：

其中，σ0為存在于單位權(quán)觀測值中的誤差數(shù)值，Qii是Qxx法方程的逆矩陣。通過該理論精度以及實踐分析可知，測量誤差與平差模型協(xié)方差傳播規(guī)律以及測繪區(qū)域中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有關(guān)，上述因素的變化都會使其理論精度發(fā)生變化，但是像點測量精度和未知數(shù)理論精度具有正比關(guān)系。

在實際精度方面，平差模型中的系統(tǒng)誤差以及偶然誤差之間的差異性是實際與理論精度誤差產(chǎn)生的主要原因。但是就實際的精度誤差公式而言，其定義比較簡單便捷。一般情況下，可直接計算多余控制點所處位置的真實坐標(biāo)和平差坐標(biāo)，以此來實現(xiàn)平差模型實際精度的獲得[3]。在空三測量中，實際精度可按照以下公式進(jìn)行計算：

其中，μx為x坐標(biāo)方向上的實際精度；μY為y坐標(biāo)方向上的實際精度；μZ為Z坐標(biāo)方向上的實際精度，n為測量點個數(shù)。

本次測繪中，主要通過Pixel Grid自動化系統(tǒng)來進(jìn)行空三測量，以下是其模型連接公式：

其中，ΔS是平面位置誤差，單位為m；ΔZ是高程誤差，其單位是m；m像是照片比例尺分母；fk是無人機遙感航攝儀器焦距，其單位是mm；b是照片基線值。要想讓像控點平面精度得以良好控制，就需要對其和鄰近基礎(chǔ)控制點之間的平面誤差加以嚴(yán)格控制[4]。表3為本次測量中的平面位置誤差情況。

表3 本次測量中的平面位置誤差情況（比例尺為1∶1000） 單位：m

表4為本次測量中的高程誤差情況。

表4 本次測量中的高程誤差情況（比例尺為1∶1000） 單位：m

具體測繪過程中，因為居民房屋會對遙感航攝的圖像獲取造成一定影響，表現(xiàn)在照片上的是密集陰影，且被測繪區(qū)域內(nèi)的居民房屋比較隱蔽?；诖耍诰唧w測量中，將平面測量精度放寬0.5倍，將高程測量精度放寬0.75倍。通過測量發(fā)現(xiàn)，被測區(qū)域內(nèi)的空三加密精度可以清晰地展示出來，與1∶1000比例尺條件下的成圖精度要求相符。

3.5 攝像數(shù)據(jù)處理

就目前我國無人機遙感航攝技術(shù)應(yīng)用來看，其主要的影像數(shù)據(jù)處理軟件是Pixel Grid自動化系統(tǒng)以及GPGrid系統(tǒng)等。具體處理中，首先需要通過無人機遙感技術(shù)來進(jìn)行被測區(qū)域影像數(shù)據(jù)的大量獲取，然后通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理，并實現(xiàn)DEM/DOM的制作。在具體的測繪工程測量工作中，需要將通過無人機遙感技術(shù)獲取到的圖像數(shù)據(jù)和GPS/POS數(shù)據(jù)下載至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，然后通過該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化匹配，將密集匹配技術(shù)合理應(yīng)用其中，便可實現(xiàn)DSM三維點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，對獲取到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對于其中會干擾到測繪過程的數(shù)據(jù)，需將其剔除，之后便可實現(xiàn)DTM點云數(shù)據(jù)的科學(xué)獲取，并將獲取規(guī)則網(wǎng)中的DEM成果插入其中[5]。在此過程中，為實現(xiàn)成果質(zhì)量的進(jìn)一步提升，還需要對DEM成果進(jìn)行編程檢查。通過這樣的方式，才可以實現(xiàn)無人機遙感航攝數(shù)據(jù)的良好處理，以此來實現(xiàn)被測區(qū)域?qū)嶋H情況的真實獲取，為后續(xù)工程的設(shè)計施工提供具有科學(xué)性的參考。

4 無人機遙感航攝技術(shù)的發(fā)展方向

隨著時代的發(fā)展與科技的進(jìn)步，工程測繪領(lǐng)域中的無人機遙感航攝技術(shù)也將實現(xiàn)不斷發(fā)展，從而使其現(xiàn)有的不足得以一一彌補，進(jìn)一步提升無人機遙感航攝技術(shù)的應(yīng)用效果。

4.1 抗風(fēng)性能的改進(jìn)

就目前的無人機遙感航攝而言，風(fēng)力干擾是其工作中所面臨的一個主要問題，一旦測量中的風(fēng)力過大，便會對測量結(jié)果造成一定程度的不良影響，從而增大測量誤差[6]?；诖?，在無人機遙感航攝技術(shù)未來研究與發(fā)展中，相關(guān)單位與研究人員應(yīng)加強其抗風(fēng)性能的研究，通過先進(jìn)的軟件技術(shù)等進(jìn)行無人機飛行姿態(tài)控制，并進(jìn)行科學(xué)的風(fēng)力誤差測算。通過這樣的方式，便可讓無人機遙感航攝技術(shù)具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力，從而實現(xiàn)其測量工作質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

4.2 無人機機動性的增強

因為無人機遙感航攝技術(shù)大多在高原或山區(qū)環(huán)境下應(yīng)用，其飛行環(huán)境以及起落環(huán)境都相對比較復(fù)雜，在這樣的情況下，無人機的磨損程度便會加重。尤其是在起升和降落的過程中，如果遇到了復(fù)雜的環(huán)境條件，更是會加大無人機磨損。為有效解決此類問題，實現(xiàn)無人機應(yīng)用質(zhì)量的進(jìn)一步提升與使用壽命的進(jìn)一步延長，在后續(xù)的無人機遙感航攝技術(shù)研究與發(fā)展中，研究者與技術(shù)人員需要注意加強無人機的機動性，使其磨損程度得以有效降低。

4.3 無人機飛行姿態(tài)控制效果的提升

在通過無人機遙感航攝技術(shù)進(jìn)行工程測量的過程中，無人機飛行姿態(tài)將會對測量效果產(chǎn)生直接影響?；诖?，在今后的無人機遙感航攝技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展中，研究者與技術(shù)人員一定要加強其飛行姿態(tài)控制效果的研究，通過科學(xué)合理的措施來提升其飛行姿態(tài)控制效果[7]。通過這樣的方式，便可讓無人機航攝中獲取到的影響資料具備更好的精度與重疊度，充分滿足工程測量的實際需求，達(dá)到更加理想的工程測量效果。

4.4 無人機遙感航攝測繪技術(shù)的自動化與智能化控制

在目前的無人機遙感航攝測繪中，無人機需要地面上的操作人員遠(yuǎn)程控制，在這樣的情況下，便難免存在一定的人為因素影響，且在突發(fā)情況下，人的反應(yīng)速度會比控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度慢很多。因此，在未來的發(fā)展中，無人機遙感測繪技術(shù)將會朝著自動化與智能化控制的發(fā)展，從而徹底避免人為因素的影響，實現(xiàn)控制效果、測繪質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

5 結(jié)語

綜上所述，在通過無人機遙感技術(shù)進(jìn)行測繪工程的測量過程中，相關(guān)單位與技術(shù)人員需要將待測區(qū)域的實際情況作為依據(jù)，對測量過程中的像控點進(jìn)行合理布置，并按照合理的比例尺來進(jìn)行工程測量。在此過程中，需嚴(yán)格做好航線設(shè)計、空中三角測量、理論與實際精度標(biāo)準(zhǔn)分析、攝像數(shù)據(jù)處理等，通過各項參數(shù)的合理設(shè)計與控制來確保測量效果。通過這樣的方式，才可以讓無人機遙感技術(shù)在現(xiàn)代化測繪測量工程中發(fā)揮出充分的應(yīng)用優(yōu)勢，充分滿足實際的工程測繪需求，促進(jìn)工程測繪工作質(zhì)量的提升與現(xiàn)代化工程行業(yè)的良好發(fā)展。