無人機航測技術(shù)在地形測繪中的應用探究

雍李標

摘 要：利用無人機航測技術(shù)，能夠快速、精準、高效獲取測量區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)，極大程度上提高地形測繪工作質(zhì)量與工作效率。以某新建公路地形測繪為例，從無人機航測技術(shù)優(yōu)勢入手，全面探討了無人機航測技術(shù)要點，供廣大測量同仁閱鑒參考。

關(guān)鍵詞：無人機航測；地形測繪；像控點布設；空三測量

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）05-0092-03

1 測區(qū)概況

某新建公路位于安徽省合肥市，路線全長為22.46 km，被測地形所處地區(qū)有低山、丘陵、盆地，整體地形起伏大，部分路段灌木及野生樹木密集，通視條件不好。若采用全站儀、GPS-RTK、傳統(tǒng)航空測繪等測量技術(shù)，往往會受測區(qū)環(huán)境、復雜地形、通視條件等因素影響導致測量精度降低。而采用無人機航測技術(shù)，能夠避免上述測量技術(shù)的不足，有效提升公路地形測繪的質(zhì)量和效率。

該測量區(qū)域的測繪任務采用無人機航空測量，航飛測繪系統(tǒng)為ZC-Ⅱ，航攝影像設備采用佳能EOS 5D單反相機，傳感器為CMOS類型。由于攝影機非量測專用，故在成像幾何質(zhì)量、內(nèi)方位穩(wěn)定性等方面不占優(yōu)勢。但通過室內(nèi)精密控制場進行檢校，將測量數(shù)據(jù)代入平差模型解算，獲得可供使用的影像數(shù)據(jù)。

整個航測按照“外業(yè)→內(nèi)業(yè)→外業(yè)→內(nèi)業(yè)”進行，具體流程為：①在開展航測前需要進行航飛設計，做好航測路線規(guī)劃。②正式航測時，先起飛無人機，進行航空攝影，完成航攝后進行外業(yè)像片控制點布設與測量。③利用外業(yè)測量獲取的像片控制點和地形資料，在室內(nèi)進行空中三角測量、立體測圖，獲取需要的內(nèi)業(yè)控制點。④結(jié)合內(nèi)業(yè)測繪結(jié)果開展外業(yè)調(diào)繪、補充測量。⑤進行成果編輯，完成DEM和DOM制作，并做好質(zhì)量檢查后，提交匯總成果，如圖1所示。

2 無人機航測技術(shù)優(yōu)勢

2.1 成本低

傳統(tǒng)的測量技術(shù)是依靠全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行測繪作業(yè)，以相同區(qū)域的測量面積計算，傳統(tǒng)測量技術(shù)需要的人工成本、測繪費用大約是無人機航測的10倍，而測繪時間大約是無人機航測的2倍[1]。無人機航測設備雖然前期采購費用較高，但使用周期長，維護成本低，攤銷后的費用更少，而且測繪時需要人工少、效率高、能克服各種復雜地形的影響，大大縮短野外測量周期。無論是測繪成本還是效率，無人機航測和人工測繪相比，都具有絕對優(yōu)勢。在實踐中，應用無人機航測技術(shù)能夠加快工作效率，擴大市場業(yè)務量，進一步提升企業(yè)核心競爭力。

2.2 效率高

使用無人機航測開展地形測繪作業(yè)時，測量人員可結(jié)合測量區(qū)域地形條件設計航飛路線，設定無人機飛行高度、速度、路線，編輯好相關(guān)參數(shù)，控制操作無人機以最佳狀態(tài)的垂直或傾斜方式進行測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)采集。整個測繪流程時間短，且能夠精準捕捉影像數(shù)據(jù)，將測量獲取的地理信息傳輸?shù)胶笈_進行分析和測算，高效完成測繪任務。尤其是在進行大比例、大區(qū)域地形測繪時，無人機航測高效、快速的優(yōu)勢更能體現(xiàn)出來。

2.3 機動性好

在傳統(tǒng)的測繪中，各個高程控制點需要測繪人員就位測量，如果遇到高山峻嶺、險急河流、沼澤濕地等特殊區(qū)域，人工無法到達的區(qū)域，很難精準完成測量作業(yè)。而無人機測繪就能規(guī)避這些因素的影響，其機動性好、反應快速，不收復雜地形條件的限制。

此外，無人機體積小，單人背包即可攜帶、長途行進，現(xiàn)場拼裝操作也很簡單，對場地、氣候等環(huán)境沒有特別要求。例如，多旋翼式無人機可以就地垂直起降，隨時開展測繪作業(yè)，且對測繪區(qū)域數(shù)據(jù)存在疑點的能夠迅速進行補測。即使遇到現(xiàn)場條件較為惡劣的，也可以先暫停作業(yè)，待情況好轉(zhuǎn)后再繼續(xù)進行，免去人工往來的困擾。

2.4 精度準

復雜地形條件下，遇到傳統(tǒng)人工測量不能到位的區(qū)域，往往會出現(xiàn)測點間距過大或遺漏問題，如此就會對地形成圖的測量精度造成影響。無人機航測可以有效克服這些影響，即使環(huán)境不利，也可以全方位獲取測量的信息數(shù)據(jù)。

隨著科技進步，無人機配備的影像設備越來越高清，在測繪時能迅速、準確、清晰的獲取測量信息數(shù)據(jù)，并且數(shù)字影像成像效果好、分辨率高。最重要的是影像中有地形測繪需要的坐標信息，其可以作為地形成圖的原始資料[2]。無人機航測技術(shù)協(xié)調(diào)性也好，能夠與衛(wèi)星遙感、航空測繪信息聯(lián)合對接，與地面控制系統(tǒng)互聯(lián)互動，及時調(diào)整優(yōu)化誤操作出現(xiàn)誤差的影像信息數(shù)據(jù)，確保地形測繪的精準度，提升測繪作業(yè)的質(zhì)量。

3 無人機航測技術(shù)要點

3.1 航線規(guī)劃

在進行航線規(guī)劃前，應先確定無人機航飛范圍、熟悉測區(qū)地形地貌，并結(jié)合無人機續(xù)航能力等各項參數(shù)確定飛行架次，優(yōu)化航飛作業(yè)方案，提升航測作業(yè)效率，在城區(qū)、高海拔地區(qū)應事先申請空域。

某項目航測區(qū)域呈南北走向，整體地形為兩端高、中間低，結(jié)合周邊氣候、線路走向以及無人機續(xù)航時間，設計采用7個架次，航線若干條，基準面高程為170 m。航線設計示意如圖2所示。

為確保滿足航測成圖要求，相鄰航線應滿足如下規(guī)定要求：航向重疊度60%，不得小于53%，旁向重疊度30%，不得小于15%，對于地形復雜、起伏大的，應適當增加重疊度[3]。航線規(guī)劃通常分為兩步：①飛行前預規(guī)劃，即根據(jù)任務要求統(tǒng)籌制定最優(yōu)參考路徑。②飛行中重規(guī)劃，即航飛過程中若遇到地形、氣象等突發(fā)因素時，局部動態(tài)調(diào)整飛行路徑或動作。

3.2 航空攝影

無人機測繪小組應根據(jù)制定的航攝計劃，對各測區(qū)進行拍攝采集照片數(shù)據(jù)，外業(yè)航飛過程中作業(yè)人員應時刻關(guān)注無人機飛行高度、速度等飛行狀態(tài)，做好實時傳圖，保證飛行安全。在每架次飛行結(jié)束后，應立即檢查拍攝的影像質(zhì)量，檢查是否存在漏片、漏洞等情況。對于影像點不滿足設計要求，出現(xiàn)相對漏洞、絕對漏洞或其他缺陷時應及時補攝。漏洞補攝應嚴格按照原設計航線進行，直至獲取滿足質(zhì)量要求的影像。

對于個別相對漏洞不影響內(nèi)業(yè)加密模型的，可只在出現(xiàn)漏洞的位置補攝，但應注意，補攝航線的長度需超過漏洞以外的1條基線。如果控制航線存在局部相對漏洞，但對航線內(nèi)業(yè)加密控制點選擇和模型連接無影響時，可不進行補攝[4]。但只要涉及補攝時，就要按要求對整條航線進行重攝，確保無遺漏。影像數(shù)據(jù)檢查合格后方可帶回進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3.3 像控點布設

像控點布設時應嚴格按照規(guī)范要求的密度，優(yōu)先選擇便于查找處理的位置，如建筑角點、地物交叉點等。若測區(qū)處于山區(qū)等無明顯地物的區(qū)域時，應根據(jù)測區(qū)內(nèi)通視條件與有無明顯特征點進行選擇與布點。若對空視角較好，可在平坦地面采用人工噴漆對布設的像控點進行標記，對于植物密集區(qū)域可采用系白布條作為標記點。布點位置應選擇易識別、好固定、無陰影、無遮擋的區(qū)域。布點密度應結(jié)合航測區(qū)域地形條件與測繪精度要求予以綜合確定，對于地形較為復雜的區(qū)域，可結(jié)合測區(qū)實際適當增加像控點密度。對于像控點的坐標與高程采用RTK測量，測量誤差不得超過5 cm，RTK接收機與無人機航測系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入點、端口應保持一致，以確保測量數(shù)據(jù)的真實性、可靠性。

該項目航測區(qū)域為帶狀地形，可沿測區(qū)邊界按照相同間隔均勻布設若干平高點像控點，對測區(qū)以內(nèi)等距布設若干稀疏檢測像控點。其中，像控點△位于測區(qū)邊界，檢查點□位于測區(qū)內(nèi)部，像控點與像控點間能夠構(gòu)成空間三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過在測區(qū)內(nèi)部布設檢查點，能夠有效提升平面精度和高程精度，像控點布設示意如圖3。對于測區(qū)復雜不規(guī)則地形段，應結(jié)合測區(qū)實際情況，對像控點進行加密處理，以保證后期成圖的精度與質(zhì)量。

3.4內(nèi)業(yè)處理

3.4.1 空中三角測量

空中三角測量即空三加密、攝影測量加密，是航測內(nèi)業(yè)最關(guān)鍵、最重要的一環(huán)，其成果直接影響著內(nèi)業(yè)成圖的質(zhì)量和精度，故不容小覷。航攝過程中，由于普通攝像相機成像幾何質(zhì)量不高、內(nèi)方位穩(wěn)定性差，且受外界環(huán)境因素的干擾，航攝質(zhì)量往往難以保證。為了彌補航攝數(shù)碼相機成像的不足，可采用光束法空中三角測量對影像進行處理，從而減少后期成圖的誤差。

空中三角測量的基本原理是以中心投影的共線方程作為基礎方程，將單張像片組成的單一光束作為一個平差單元，通過各個光束在空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)與平移使模型中公共點光線實現(xiàn)最佳交會，并將最佳測區(qū)轉(zhuǎn)入已知控制點坐標。然后列出控制點與加密點誤差方程，對測區(qū)進行統(tǒng)一平差計算，最后完成加密點的地面坐標與像片的外方位元素[5]。平差計算時按要求對連接點、像控點予以粗差檢測，并將粗差點剔除或修測，進而有效確保立體測圖所需像對的精度。

3.4.2 內(nèi)業(yè)立體測圖

結(jié)合空三加密、平差計算獲取的影像信息，利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)恢復立體模型，進行立體采集，然后按要求進行編輯處理后，生成待編數(shù)據(jù)與野外調(diào)繪圖。對于內(nèi)業(yè)立體測圖過程中發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)狀不相符合的地物，應按要求進行外業(yè)補測。

需要注意的是，立體采集時應滿足如下要求：①等高線描繪采用測標切準立體模型，其誤差應滿足如下要求，平地、丘陵地≤1/5等高距，山地、高山地≤1/3等高距[6]。②等傾斜地段相鄰曲線間距＜5 mm時，使用首曲線插繪。③準確測繪架空管線及道路，對植物密集區(qū)域或隱蔽區(qū)域的測繪，需應用野外高程點和立體模型方式，一般高程注記點讀2次，變動幅度大的高程適當增加注記點。④如遇到被植被覆蓋的測量區(qū)域，需修正增加植被的高度。⑤如有建筑物，需標明結(jié)構(gòu)、層數(shù)，涉及村鎮(zhèn)、公路、鐵路、溝谷、河流等應清晰標記。⑥將矢量地形圖通過CASS軟件轉(zhuǎn)換為格式地形圖，以供下一步設計使用。

3.5 外業(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪需嚴格按照相關(guān)規(guī)范要求，采用航攝成圖進行外業(yè)實地測量調(diào)繪，并按照公路勘察規(guī)范進行修測與補測。完成調(diào)繪后，再由內(nèi)業(yè)調(diào)整數(shù)據(jù)，確保成圖精度。在項目測量區(qū)域，按要求對實測數(shù)據(jù)予以分析，選擇一部分高程點使用GPS進行實地測量，并將外業(yè)實測點與無人機航測DSM高程精度、DOM平面精度進行對比、分析，將GPS外業(yè)實測地物限差與空三加密精度進行對比，分析判斷地物點平面誤差、高程誤差，若不滿足項目測繪精度要求，應在后期進行外業(yè)補測。

3.6 內(nèi)業(yè)編輯

在完成外業(yè)調(diào)繪及補測后，對調(diào)繪圖紙進行檢查，合格后方可對原采集的圖形數(shù)據(jù)、圖幅間的接邊進行編輯處理，并按要求加注各類注記要素。對圖面進行修整與裝飾，以生成滿足圖式要求的成果文件。通過外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)對立體測量數(shù)據(jù)進行檢查、確認與修改，生成項目成果數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)測量需投入大量人力、物力，且在地形復雜、植物密集區(qū)域施測難度大、測量周期長、作業(yè)效率低。而無人機航測技術(shù)不僅沒有傳統(tǒng)測量的弊端，而且效率高、成本低、成果可靠，尤其在復雜地形段優(yōu)勢更為突出。但金無足赤，若對無人機航測重要環(huán)節(jié)的把控不當，亦會導致測量成果偏差過大。因此，在利用無人機航測技術(shù)開展公路地形測繪作業(yè)時，務須要做好航線規(guī)劃、像控點布設、空中三角測量、內(nèi)業(yè)立體測圖、外業(yè)調(diào)繪及補測等相應環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，從而為公路地形測量提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

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