無人機(jī)攝影測量技術(shù)在數(shù)字化地形測量的應(yīng)用探討

蔡安宏

(江西省瑞華國土勘測規(guī)劃工程有限公司 江西南昌 330000)

近年來，社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，很大程度上帶動了我國工程建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。在工程建設(shè)過程中，測量是必不可少的一個(gè)工作環(huán)節(jié)。為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，則需采取現(xiàn)代化測量技術(shù)方法。例如：在數(shù)字化地形測量過程中，可以合理應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，發(fā)揮此項(xiàng)測量技術(shù)的優(yōu)勢：可靠性好、靈活性強(qiáng)、安全性高等，有助于數(shù)字化地形測量結(jié)果準(zhǔn)確性的提高，并為工程建設(shè)工作項(xiàng)目開展提供有效數(shù)據(jù)支持[1]。鑒于此，為充分發(fā)揮無人機(jī)攝影測量技術(shù)的作用，全面提高數(shù)字化地形測量工作的效率與質(zhì)量，本文對“無人機(jī)攝影測量技術(shù)在數(shù)字化地形測量的應(yīng)用”進(jìn)行分析探討。

1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

無人機(jī)航攝測量技術(shù)在測量工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特點(diǎn)優(yōu)勢鮮明。其中，無人機(jī)即利用無線電遙控設(shè)備或者機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器。其在結(jié)構(gòu)方面比較簡單，且應(yīng)用成本比較低，可以使有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)高效完成，對于有人飛機(jī)不適宜執(zhí)行的任務(wù)也能夠高效完成，尤其是在突發(fā)事件、預(yù)警等工作中的作用顯著。從無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢層面分析，主要體現(xiàn)在以下方面。

1.1 可靠性好

無人機(jī)攝影測量作業(yè)通常是處于50～1 000 m高度范圍內(nèi)的飛行任務(wù)，以近景航空攝影為依據(jù)，使相應(yīng)的測量任務(wù)執(zhí)行完成，其測量精度可達(dá)0.1～0.5 m，可使測量工程項(xiàng)目在數(shù)字化地形測量作業(yè)中的精度要求得到有效滿足。與此同時(shí)，在合理使用無人機(jī)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行可視化拍攝作業(yè)，能夠?qū)⑴臄z區(qū)域、位置、飛行軌跡、海拔高度等各項(xiàng)信息內(nèi)容準(zhǔn)確顯示出來。需注意的是，在無人機(jī)攝影測量過程中，主要任務(wù)有飛行和拍攝兩項(xiàng)。確定無人機(jī)拍攝目標(biāo)之后，利用系統(tǒng)圖將無人機(jī)攝影測量過程的飛行任務(wù)軌跡顯示出來，進(jìn)而可以對遺漏的拍攝點(diǎn)及存在重疊情況的拍攝區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)分析，在分析討論后，可進(jìn)行重拍、補(bǔ)拍，以此使攝影測量任務(wù)完整、高效完成[2-3]。由此可見，無人機(jī)攝影測量技術(shù)可靠性較好，在數(shù)字化地形測量工作中值得借鑒與應(yīng)用。

1.2 靈活性強(qiáng)

在工程測繪工作開展期間，合理應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，具備靈活性強(qiáng)、受氣候、地域環(huán)境等影響較低的優(yōu)勢，可以確保測量作業(yè)順利、有序進(jìn)行。無人機(jī)可在短時(shí)間起飛，操作簡單、靈活，通常在地形攝影測量上1 d可以完成200 km2的攝影測量任務(wù)。

1.3 安全性高

在既往工作中，工程測繪會使用傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙控技術(shù)，但是測量工作過程容易受到一些外在因素的影響，比如云層因素、地形因素等，使測量結(jié)果的準(zhǔn)確性難以得到有效保證；同時(shí)，還會對工程測量工作人員的人身安全構(gòu)成一定威脅[4]。無人機(jī)攝影測量技術(shù)安全性更高，在無人駕駛測量的基礎(chǔ)上，可以按照測量規(guī)范要求執(zhí)行工程測量任務(wù)，保證測量作業(yè)的效率及精度。工作人員只需按照既定軌跡線路操控?zé)o人機(jī)，在此情況下能夠保證工作人員在測量工作中的安全性。圖1為無人機(jī)攝影測量現(xiàn)場工作局部圖。

2 無人機(jī)攝影測量技術(shù)測圖原理、方法及原則

為提高無人機(jī)攝影測量技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，在工程測量工作開展期間，需了解其技術(shù)測圖原理、方法及原則。具體敘述如下。

2.1 測圖原理

在工程測量工作開展，利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)其測圖基本原理為：對地面中的地形、地物等相關(guān)物體的三維坐標(biāo)加以明確，對相關(guān)信息進(jìn)行詳細(xì)描述，進(jìn)一步傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，利用計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)進(jìn)行處理，并按比例輸出和工程保持一致的地形圖[5]。從航攝測量單相片測圖層面分析，其原理為使中心投影實(shí)現(xiàn)透視轉(zhuǎn)變；從立體測圖原理層面分析，即在實(shí)際投影期間實(shí)現(xiàn)幾何反轉(zhuǎn)。

2.2 測圖方法

在無人機(jī)航攝作業(yè)過程中，其測圖有以下3 種方法。

2.2.1 綜合測圖法

在地形比較平坦的區(qū)域進(jìn)行大比例尺測圖作業(yè)，在單張像片測圖中，這種測圖方法較為適用。在綜合測圖過程中，需合理應(yīng)用攝影測量技術(shù)與平板儀器。通過綜合測圖，能夠?qū)ζ桨鍍x器測量出來的地面確定的高程、等高線，進(jìn)一步根據(jù)航攝影片信息，對地面點(diǎn)所處的平面位置確定下來。

2.2.2 全面測圖法

全面測圖法適合測量山地使用。在全面測圖過程中，需在立體測圖設(shè)備內(nèi)部將立體像布置好，在構(gòu)建微小型地面幾何模型高的基礎(chǔ)上，對構(gòu)建完好的地面幾何立體模型進(jìn)行合理應(yīng)用，以此有效開展相應(yīng)的測繪作業(yè)，進(jìn)一步對地面點(diǎn)所處平面位置、高程、等高線等信息加以明確，最終得出清晰、準(zhǔn)確的地形圖。

2.2.3 分工測圖法

在丘陵地形區(qū)域，分工測圖方法適合使用。在分工測圖過程中，需分別獲取平面位置和高程等信息數(shù)據(jù)[6]。對于地面點(diǎn)所處位置、高程、等高線等信息，需應(yīng)用立體測圖測量設(shè)備。

2.3 測圖原則

在無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用過程中，需明確空中三角測量的基本原則，即在空中三角測量作業(yè)開展需校準(zhǔn)定向點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)，結(jié)合測量工作實(shí)際要求，合理應(yīng)用測量設(shè)備相關(guān)元素?cái)?shù)據(jù)信息。與此同時(shí)，基于空中三角測量作業(yè)開展前期，工程測量單位需結(jié)合航空攝影質(zhì)量書、野外操作控制圖表、具體的工作流程等，執(zhí)行測圖任務(wù)，以此提高空中三角測量工作的規(guī)范性，進(jìn)一步使空中三角測量結(jié)果的準(zhǔn)確性得到有效保證。

3 無人機(jī)攝影測量技術(shù)在數(shù)字化地形測量的具體應(yīng)用要點(diǎn)

為提高數(shù)字化地形測量工作的效率及質(zhì)量，有必要合理科學(xué)地應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用要點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。

3.1 布設(shè)像控點(diǎn)

在數(shù)字化地形測量工作開展期間，合理利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，需將像控點(diǎn)布設(shè)好，保證布設(shè)像控點(diǎn)清晰、明確。需注意的是，像控點(diǎn)布設(shè)活動復(fù)雜程度高，期間需注意區(qū)域網(wǎng)布設(shè)質(zhì)控，并對像控點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)測量。在區(qū)域網(wǎng)布設(shè)過程中，必須合理應(yīng)用平高點(diǎn)技術(shù)，并將4 條基線設(shè)置好。倘若處于偏遠(yuǎn)地區(qū)開展測繪作業(yè)，則最少需要設(shè)置6條基線，同時(shí)將≥2條旁向跨度基線設(shè)置好，以此使測繪工作的精度得到有效保證[7]。若測量工作區(qū)域存在不規(guī)則特征情況，在區(qū)域網(wǎng)布設(shè)過程中，在拐角區(qū)域位置，需另外布設(shè)平高點(diǎn)。此外，在像控點(diǎn)測量過程中，需合理應(yīng)用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)、實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)，測繪工作人員還需合理應(yīng)用相關(guān)測量設(shè)備工具，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和GPS-RTK系統(tǒng)的聯(lián)動，全面提高像控點(diǎn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 空間三角測量

在數(shù)字化地形測量工作開展過程中，為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，需做好空間三角測量作業(yè)。通過空間三角模型的構(gòu)建，并根據(jù)相關(guān)理論，對加密點(diǎn)進(jìn)行合理布設(shè)，進(jìn)一步展開測量任務(wù)作業(yè)?；诩用茳c(diǎn)布設(shè)過程中，需選擇測量區(qū)域內(nèi)較為突出的位置，并將各加密點(diǎn)之間的距離做好標(biāo)記，以1∶1 000 的比例尺為例，在地圖上加密點(diǎn)距離需控制在＞1 mm。在山谷、河道等區(qū)域測量作業(yè)開展期間，需對航測節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)高度差合理提升，以此確保測繪作業(yè)的穩(wěn)定性及可靠性[8]。在布設(shè)好加密點(diǎn)之后，進(jìn)一步展開空間三角測量作業(yè)，即在做好測量前期準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，明確定向，并傳輸測量數(shù)據(jù)。在空間三角測量過程中，測繪工作人員需對航測像素精度充分控制，結(jié)合測量工作項(xiàng)目具體情況，對精度控制要求進(jìn)行合理調(diào)整，以此使空間三角測量成果符合工程項(xiàng)目要求。圖2為空三加密測量作業(yè)工作流程圖。

3.3 地形數(shù)據(jù)分析

在數(shù)字化地形測量工作中，應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，需做好地形數(shù)據(jù)的分析。一方面，獲取相關(guān)地形信息后，需合理利用計(jì)算機(jī)軟件對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，例如：可對CAD 等相關(guān)軟件合理應(yīng)用，在進(jìn)行數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，使獲取的各項(xiàng)地形信息得到有效轉(zhuǎn)化，為數(shù)字化地形測量工程項(xiàng)目的圖像數(shù)據(jù)分析工作提供有效支持。另一方面，將獲取的地形數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)之后，系統(tǒng)以自動配置的方式得到DSM 數(shù)據(jù)，進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)濾波對DEM地形圖像進(jìn)行優(yōu)化處理。此外，系統(tǒng)通過對航拍測量模塊的優(yōu)化，可對其中存在的錯(cuò)誤信息及時(shí)糾正，最終獲得正射影像數(shù)據(jù)。

3.4 外業(yè)補(bǔ)測

在數(shù)字化地形測量工作開展期間，無人機(jī)攝影測量技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值頗高，然而若處于復(fù)雜地形工程測量作業(yè)期間，存在很難獲得全面地形信息數(shù)據(jù)的情況。為了使能夠獲取更為完整的地形測量信息數(shù)據(jù)，則需進(jìn)一步開展外業(yè)補(bǔ)測作業(yè)。在補(bǔ)測過程中，測繪工作人員需針對之前利用無人機(jī)攝影測量的內(nèi)容展開校驗(yàn)處理。結(jié)合實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)來看，在外業(yè)補(bǔ)測期間需選取小范圍測量區(qū)域，對航拍測量內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，通過對比分析，找出當(dāng)中存在的誤差問題[9-10]。值得注意的是，測量工作人員需針對測區(qū)具體地形情況進(jìn)行分析，將測量隱蔽點(diǎn)、困難點(diǎn)找出，然后組織開展人工外業(yè)補(bǔ)測作業(yè)活動。在外業(yè)補(bǔ)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升整體測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.5 無人機(jī)航攝質(zhì)量控制

在數(shù)字化地形測量工作開展期間，應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，需加強(qiáng)無人機(jī)航攝質(zhì)量控制，具體質(zhì)量控制要點(diǎn)如下。

3.5.1 起飛前檢查

無人機(jī)航攝之前，需做好起飛前檢查，確保檢查后，無人機(jī)可以按照既定軌跡穩(wěn)定、安全化升空，執(zhí)行飛行任務(wù)。（1）在滾轉(zhuǎn)檢查作業(yè)過程中，需保證滾角和陀螺零點(diǎn)準(zhǔn)確，其中右滾數(shù)值需為“正數(shù)”；（2）在俯仰檢查過程中，需確保脫落俯仰角和零點(diǎn)均為向上正值；（3）在水平檢查期間，需安裝好飛控系統(tǒng)，合理設(shè)置滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，確保能有效控制無人機(jī)飛行姿勢；（4）在轉(zhuǎn)速檢查過程中，相關(guān)工作人員需用手轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)，然后通過對地面站的觀察，判斷轉(zhuǎn)速是否符合飛行標(biāo)準(zhǔn)；（5）在空速檢查過程中，工作人員需利用手將空速管前的氣流遮擋住，倘若數(shù)值趨近于“0”，則表示正常，若數(shù)值未發(fā)生任何變化，或數(shù)值增加，則為異常；（6）在震動試驗(yàn)過程中，通過若干中轉(zhuǎn)速的分析判斷，對發(fā)動機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的跳動情況進(jìn)行仔細(xì)觀察，倘若有大幅度跳動情況發(fā)生，則需實(shí)施相應(yīng)的減震處理措施；（7）在GPS定位檢查過程中，需確保啟動到GPS定位時(shí)間≤1 min，倘若定位時(shí)間＞5 min，則需進(jìn)一步對GPS天線進(jìn)行檢查，通過檢查，處理存在的異常情況，以此確保GPS定位的準(zhǔn)確性。

3.5.2 地面站監(jiān)控

無人機(jī)升空之后，地面站須立即對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；與此同時(shí)，無人機(jī)操作人員須認(rèn)真觀察無人機(jī)的飛行線路、高度、軌跡等信息，通過預(yù)設(shè)的飛行軌跡等信息，分析判斷無人機(jī)是否處于正常飛行狀態(tài)；若飛行異常，須及時(shí)處理，確保通過地面站監(jiān)控，無人機(jī)能夠正常飛行，進(jìn)一步保證無人機(jī)攝影測量成果的準(zhǔn)確性、可靠性、真實(shí)性。

3.5.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理及檢查

在無人機(jī)攝影測量作業(yè)任務(wù)完成之后，相關(guān)工作人員需對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真整理及檢查，例如：分析判斷相關(guān)航線記錄值與實(shí)際飛行影像數(shù)據(jù)有無保持一致；影像數(shù)據(jù)與曝光點(diǎn)數(shù)據(jù)信息有誤保持一致；等等。當(dāng)然，還需將原始數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中存儲好，通過數(shù)據(jù)整理分析，進(jìn)一步以具體的航行數(shù)對各條航線的影像進(jìn)行裝載，保證其數(shù)量相同。此外，需做好質(zhì)量檢查與補(bǔ)飛作業(yè)，由現(xiàn)場航攝工作人員根據(jù)檢查記錄統(tǒng)計(jì)表，明確補(bǔ)飛區(qū)域，通過補(bǔ)飛保證工程測量數(shù)據(jù)信息的完整性，為后續(xù)工程建設(shè)工作的順利、有序開展提供客觀科學(xué)的參考依據(jù)支持。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)攝影測量技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)勢鮮明，可靠性好、靈活性強(qiáng)、安全性高，需了解無人機(jī)攝影測量技術(shù)測圖原理、方法及原則，并在無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用過程中，合理布設(shè)像控點(diǎn)，做好空間三角測量、地形數(shù)據(jù)分析、外業(yè)補(bǔ)測等作業(yè)。此外，還需加強(qiáng)無人機(jī)航攝質(zhì)控，做好起飛前檢查、地面站監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理及檢查等質(zhì)控工作，以此確保無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的充分發(fā)揮，進(jìn)一步全面提高數(shù)字化地形測量工作的效率與質(zhì)量。