無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)及應(yīng)用研究

周麗晨 蘇紫乾

內(nèi)蒙古有色地質(zhì)礦業(yè)（集團(tuán)）七隊(duì)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，不免會(huì)對(duì)地表地形進(jìn)行改變，很多行業(yè)需要地表地形數(shù)據(jù)的更新。這樣一來(lái)，需要對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行快速收集與整理更新。其中無(wú)人機(jī)航空攝影可以快速獲取地理數(shù)據(jù)，在測(cè)圖工作中越來(lái)越發(fā)揮重要作用。無(wú)人機(jī)技術(shù)與數(shù)碼相機(jī)的相結(jié)合，使得無(wú)人機(jī)數(shù)字航攝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪方式，無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本低，更加便于操作，具有靈活性。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以克服惡劣環(huán)境，在惡劣環(huán)境中繼續(xù)工作。具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 概述

無(wú)人機(jī)最早產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，早期主要用于軍事領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸運(yùn)用于民事與科研領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)在近幾年逐漸成熟，再加上數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展，使得無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)成為航測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)[1]。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的發(fā)生，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。在遙感、攝影測(cè)量等領(lǐng)域也得到廣泛的關(guān)注。促進(jìn)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展將有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作原理

無(wú)人機(jī)航空成像技術(shù)是地理信息和制圖技術(shù)的前沿，它結(jié)合了許多新技術(shù)，例如全球衛(wèi)星定位技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。其工作原理是提前規(guī)劃行程，然后掃描測(cè)繪對(duì)象、繪制對(duì)象從而獲取圖像數(shù)據(jù)，完成對(duì)測(cè)繪對(duì)象的數(shù)據(jù)處理。

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)旨在獲得精確的空間數(shù)據(jù)，再結(jié)合3S技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)能力和空間數(shù)據(jù)處理能力。無(wú)人機(jī)攜帶的最重要的攝影測(cè)量傳感器是CCD數(shù)碼相機(jī)[2]。為了獲得與大比例地形圖精度相匹配的圖像，基于相機(jī)的幾何成像模型進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)工作，以獲得相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，并測(cè)量每個(gè)像素的失真。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

3.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)主要由如下幾方面組成：飛行控制器、航拍設(shè)備、圖像感應(yīng)器。飛行控制器主要進(jìn)行對(duì)無(wú)人機(jī)及航拍系統(tǒng)的管理和對(duì)目標(biāo)載荷的控制和選擇。飛機(jī)平臺(tái)即無(wú)人機(jī)的機(jī)體，通常包括了旋翼機(jī)、固定翼、混合機(jī)翼等三種。而攝影感應(yīng)器即用來(lái)進(jìn)行航拍的各種感應(yīng)器系統(tǒng)，包括單反相機(jī)、多鏡頭的傾斜式攝像鏡頭等[3]。

3.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

相對(duì)于衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)在效率方面更高，在同等的資金成本和技術(shù)成本支持下，無(wú)人機(jī)測(cè)量能夠完成覆蓋面比較廣的工作，所需要獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)也較多。當(dāng)政府對(duì)測(cè)量任務(wù)進(jìn)行了相關(guān)的運(yùn)輸管理審批程序以后，無(wú)人機(jī)就能夠開(kāi)展商業(yè)運(yùn)行任務(wù)了。由于無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)對(duì)飛機(jī)的起落地點(diǎn)要求比較小，工作條件比較簡(jiǎn)單，具備較高的實(shí)用價(jià)值。另外，由于其飛行高度相對(duì)降低，且位于云層下面的地方，受氣候環(huán)境的影戲響比較小，因此具備了全天候工作的優(yōu)勢(shì)。在無(wú)人駕駛飛行器航測(cè)任務(wù)中，也可以獲取比較準(zhǔn)確的數(shù)字影像，因此具備了很高的整體技術(shù)含量[2]。在實(shí)際測(cè)量工作流程中，無(wú)人機(jī)測(cè)量通常與衛(wèi)星測(cè)量、地球監(jiān)測(cè)等方法協(xié)調(diào)進(jìn)行，為實(shí)現(xiàn)綜合測(cè)量目標(biāo)提供更為有效的信息。

4 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地面站控制系統(tǒng)

在地面系統(tǒng)建設(shè)方面，主要內(nèi)容涉及數(shù)傳電臺(tái)、地面站軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)等三個(gè)方面。站從實(shí)際運(yùn)行方面來(lái)看，控制系統(tǒng)在飛行數(shù)據(jù)和位置信息收集方面，主要是通過(guò)控制軟件的數(shù)字顯示系統(tǒng)，在獲取飛行數(shù)據(jù)和位置信息的同時(shí)，也可以利用計(jì)算機(jī)的控制軟件，通過(guò)顯示出飛機(jī)行駛的實(shí)際數(shù)據(jù)和路徑信息，對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)的行駛目標(biāo)實(shí)施遙控指令。而經(jīng)過(guò)這些工作，整個(gè)無(wú)人機(jī)的自主行駛功能也將會(huì)受到更加完善，操作者還能夠通過(guò)在該控制系統(tǒng)之中預(yù)先輸入出飛機(jī)路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航線上飛行目標(biāo)的機(jī)動(dòng)控制，而唯有如此，方可對(duì)航跡目標(biāo)進(jìn)行合理調(diào)整。

4.2 空中三角測(cè)量

航空三點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，是指通過(guò)對(duì)一些已知的野外控制點(diǎn)，在航空照相像上進(jìn)行控制點(diǎn)位置加密，并通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算獲得加密控制點(diǎn)的平面位置和高程之后，對(duì)缺乏野外控制點(diǎn)的區(qū)域加以測(cè)圖和實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定向的加密控制點(diǎn)。在通常情形下，將航空三角的測(cè)量技術(shù)包括了相對(duì)定向、模型連接、平差解算，以及絕對(duì)定向等技術(shù)。首先實(shí)現(xiàn)了立體像對(duì)的相對(duì)定向，目的就是通過(guò)恢復(fù)構(gòu)成立體像對(duì)的相鄰二個(gè)影像的攝影光束的相互聯(lián)系關(guān)系，使同名光線可以對(duì)對(duì)地交錯(cuò)傳播，并據(jù)此恢復(fù)二個(gè)攝影的相對(duì)位置，從而建立目標(biāo)的幾何模型，進(jìn)而可計(jì)算地確定各個(gè)模型的相對(duì)定向系數(shù)。相對(duì)位置定向完成之后，就產(chǎn)生了影像之間的相對(duì)位置關(guān)系，但是因?yàn)楦鱾€(gè)模型之間的坐標(biāo)系并非相同，所以在此時(shí)還需要通過(guò)對(duì)各個(gè)模型中的物體在同名位置上通過(guò)空間相似變換來(lái)進(jìn)行與模型連接，從而使得所有的系統(tǒng)都處于同一個(gè)坐標(biāo)系中。而通過(guò)在立體像上的相對(duì)定向就能夠產(chǎn)生單航的自由網(wǎng)，這樣建立了位于同一航區(qū)上的影子之間的相對(duì)空間位置關(guān)系。然后，再利用單航帶內(nèi)的物方同名點(diǎn)進(jìn)行空間相似轉(zhuǎn)換，對(duì)各的單航帶自由網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行空間拼接，這樣使所有的單航帶自由網(wǎng)系統(tǒng)都處于同一個(gè)空間座標(biāo)體系中，從而形成了一個(gè)自由網(wǎng)體系。在采用相對(duì)定向的模型系統(tǒng)連接時(shí)，存在著信息的傳遞和累加現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)自由網(wǎng)的扭曲和畸變，所以就需要利用自由網(wǎng)的高程平差來(lái)減小誤差。之后，再導(dǎo)入地面控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)絡(luò)平差，從而完成了整個(gè)空域網(wǎng)絡(luò)的誤差配賦和絕對(duì)定向。絕對(duì)定向也是對(duì)無(wú)人機(jī)飛行圖像進(jìn)行空間三角測(cè)量時(shí)的重要環(huán)節(jié)，從而完成了進(jìn)行相對(duì)定向時(shí)的立體模型從傳統(tǒng)攝影測(cè)量坐標(biāo)向地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化。絕對(duì)定向的實(shí)質(zhì)上是解求相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系與目標(biāo)大地坐標(biāo)系二個(gè)坐標(biāo)中的七個(gè)位置變換系數(shù)，其中三個(gè)平移系數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)角度系數(shù)，以及一個(gè)比例系數(shù)。當(dāng)絕對(duì)定向?qū)崿F(xiàn)后，就能夠通過(guò)無(wú)人機(jī)影像的相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系求取目標(biāo)的土地坐標(biāo)系。

4.3 POS技術(shù)輔助空三加密

由于全球定位信息技術(shù)的迅速發(fā)展，使得航空測(cè)量設(shè)備變得更加完備，在控三操作方面，也進(jìn)一步降低了人工的作業(yè)量，進(jìn)而降低了對(duì)地面控制方式的依賴性。其中，通過(guò)POS技術(shù)主要是對(duì)GPS的動(dòng)態(tài)定位信息進(jìn)行了合理利用，從而可以對(duì)航空三維定位信息進(jìn)行了快速獲取，進(jìn)而可以通過(guò)IMU技術(shù)把信息曝光在飛機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角表現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)槿绱?，外方位元素值信息就可以表現(xiàn)出來(lái)了，讓外業(yè)對(duì)控制方式的干擾越來(lái)越小。而通過(guò)POS技術(shù)的輔助，飛機(jī)人工操作步驟和時(shí)間都會(huì)更加縮短，同時(shí)也能夠與實(shí)際規(guī)范的要求更加相符，不但可以讓飛機(jī)內(nèi)業(yè)操作的有效性大大地提高，同時(shí)也可以使飛機(jī)在航空測(cè)量中作用出的周期和持續(xù)時(shí)間都顯得更短。這項(xiàng)研究的主要原理在于借助GPS技術(shù)和IMU技術(shù)，可以有效的獲得外方位元素信息，并實(shí)現(xiàn)其物理上的互相對(duì)等。

5 測(cè)繪大比例尺地形圖的作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)應(yīng)用飛行檢測(cè)技術(shù)的作業(yè)過(guò)程包括：首先，設(shè)定飛行檢測(cè)范圍、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，制定飛行路線計(jì)劃、制定任務(wù)；然后，使用任務(wù)性能控制檢驗(yàn)圖像檢測(cè)效果；最后，對(duì)空間三角測(cè)量、數(shù)據(jù)收集以及結(jié)果質(zhì)量實(shí)施檢驗(yàn)。

5.1 測(cè)繪前準(zhǔn)備

在制定航空攝影計(jì)劃之前，應(yīng)對(duì)該地區(qū)的地形、地勢(shì)及植被進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，并提供參考信息以確定路線并在布置好觀測(cè)點(diǎn)。需要詳細(xì)研究無(wú)人機(jī)參數(shù)的性能，例如飛行時(shí)間、最大高度、成像設(shè)備參數(shù)、內(nèi)存容量等。通過(guò)調(diào)查研究根據(jù)具體情況制定合理的測(cè)繪方案。

5.2 確定航攝方案

首先，收集測(cè)量區(qū)域的地形圖數(shù)據(jù)，并將其用于航攝照片設(shè)計(jì)。根據(jù)目標(biāo)范圍的測(cè)量、成圖比例尺以及測(cè)繪地區(qū)的情況，確定航空攝影比例尺。在航空攝影過(guò)程中，合理的航空攝影區(qū)域應(yīng)根據(jù)無(wú)人機(jī)類型、成圖比例尺以及制圖的范圍進(jìn)行劃分。在作業(yè)之前，最好選擇一個(gè)陽(yáng)光充足、大氣濃度低的日子。在技術(shù)書(shū)的撰寫過(guò)程中，要遵循航攝技術(shù)要求。

5.3 航攝測(cè)繪實(shí)施

起飛前，應(yīng)仔細(xì)檢查系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，并組織無(wú)人機(jī)操作員嚴(yán)格按照操作規(guī)范，評(píng)估路線設(shè)計(jì)、注意事項(xiàng)和技術(shù)規(guī)范。在飛行過(guò)程中，要注意飛行高度并且要保持飛行穩(wěn)定性。操作人員要對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保證飛行質(zhì)量。飛行質(zhì)量主要分為像片重疊率、像片傾斜角、像片旋偏置角度等[4]。無(wú)人機(jī)具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，在飛行過(guò)程中稍有風(fēng)就會(huì)受到影響。這時(shí)需要操作人員通過(guò)各種技術(shù)手段，保持飛行的穩(wěn)定性，保證測(cè)繪的準(zhǔn)確度。

5.4 控制點(diǎn)布設(shè)

地面控制點(diǎn)是攝影測(cè)量中空三加密和制圖的基礎(chǔ)?？梢允褂矛F(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)和谷歌地圖數(shù)據(jù)選擇地面觀察點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)首先要考慮測(cè)區(qū)地區(qū)的地形條件和測(cè)繪地圖精度要求。在滿足結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，可以選擇現(xiàn)場(chǎng)觀察點(diǎn)，一般飛行高度越低，布設(shè)點(diǎn)密度應(yīng)該越大，隨之相反。布設(shè)點(diǎn)的密度還和飛機(jī)像素的高低有關(guān)，像素越高布設(shè)點(diǎn)越小?？刂泣c(diǎn)的設(shè)計(jì)有兩種常見(jiàn)的方法：區(qū)域網(wǎng)和航帶法。在選點(diǎn)過(guò)程中，高程控制點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)應(yīng)選擇在高程起伏相對(duì)較小的地方，起伏較大的地方不便于測(cè)量。選擇的像片控制點(diǎn)的目標(biāo)影像要適于觀察與測(cè)量。要綜合考慮各種情況從而并選擇最佳布局。

6 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在低空作業(yè)中應(yīng)用

在測(cè)繪工作中，因?yàn)橐恍┑匦蔚貏?shì)或者自然環(huán)境因素會(huì)使測(cè)繪工作雪上加霜，也會(huì)使測(cè)得的數(shù)據(jù)受到一定的影響。但是，目前先進(jìn)的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以解決這類問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)在起飛和降落過(guò)程中受自然環(huán)境的影響較小，也不需要考慮地形地勢(shì)問(wèn)題。關(guān)于無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題，由于無(wú)人機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不需要相關(guān)人員實(shí)時(shí)跟蹤，因此可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因此，對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行員來(lái)說(shuō)，這為他們自身的安全提供了保障。例如，在某一城市的土地確權(quán)工作中，由于實(shí)地工作地形惡劣，云層較低，給工作帶來(lái)了很大困難。但認(rèn)證公司利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，在該測(cè)區(qū)有效確立了測(cè)量路線和攝影技術(shù)，使用合理的測(cè)量技術(shù)，在惡劣環(huán)境下大大提高了工作效率，保質(zhì)保量地完成了測(cè)量任務(wù)[5]。

7 無(wú)人機(jī)檢測(cè)方面的問(wèn)題和對(duì)應(yīng)策略

目前無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)廠商遍布在全球三十多個(gè)國(guó)家、數(shù)百個(gè)生產(chǎn)廠商中，而中國(guó)在這方面的生產(chǎn)技術(shù)也居于世界首位，技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)國(guó)家的水平。而在實(shí)際使用中，又由此造成了在實(shí)際測(cè)量工作中，常常必須做好對(duì)相應(yīng)機(jī)種的選型工作，要根據(jù)單次作業(yè)的區(qū)域、地形和時(shí)間等不同因素進(jìn)行綜合分析，才能提高全機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

7.1 測(cè)繪精度存在不足

因?yàn)椴煌臒o(wú)人機(jī)其自重、設(shè)計(jì)載重、體型尺寸等方面都有著很大的不同，其所攜帶的拍攝設(shè)備也各異。因此測(cè)量項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，應(yīng)根據(jù)技術(shù)條件作出合理選擇，采取使用不同的拍攝設(shè)備，在符合技術(shù)條件的情況下，科學(xué)合理的控制測(cè)量成本。需要通過(guò)攝像機(jī)在固定地點(diǎn)上的相對(duì)位置，判斷其所造成的不穩(wěn)定度，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，首先要做好對(duì)攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)尺的測(cè)量，并通過(guò)對(duì)實(shí)際的攝像范圍，進(jìn)行具體分析其測(cè)量準(zhǔn)確度，是否滿足了精確性的需要。而一旦發(fā)生了精確性不合格的現(xiàn)象，就必須進(jìn)行對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，在需要的前提下，就必須對(duì)攝像機(jī)設(shè)備進(jìn)行更新，以便于整個(gè)工作得以高效的進(jìn)行。

7.2 人為因素造成的誤差

由于人為方面的技術(shù)因素，在測(cè)量過(guò)程中不可避免的要產(chǎn)生一定程度的偏差。所以在開(kāi)展測(cè)量作業(yè)時(shí)，首先要確定人員的工作態(tài)度，按照實(shí)際需要的標(biāo)準(zhǔn)，分析偏差所產(chǎn)生的范圍和部位，并確定設(shè)備在收集數(shù)據(jù)過(guò)程中產(chǎn)生誤差所造成的危害，并根據(jù)相關(guān)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和要求實(shí)施規(guī)范作業(yè)，以此提高整個(gè)工作水準(zhǔn)。對(duì)在超出規(guī)定區(qū)域內(nèi)的偏差問(wèn)題，要提供適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法，并采取技術(shù)改進(jìn)和軟件調(diào)整的措施加以合理調(diào)整，從而使得整體測(cè)量工作可以更加適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求。

7.3 天氣因素的影響

天氣干擾因子對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量的實(shí)際工作都會(huì)造成很大的干擾，這不但會(huì)干擾飛行器的正常工作，同時(shí)也會(huì)對(duì)畫片質(zhì)量造成很直接的影響。在實(shí)際進(jìn)行觀測(cè)工作過(guò)程中，則一般選擇少云、能見(jiàn)度較好、無(wú)雨少風(fēng)的天氣。一般情況下，當(dāng)風(fēng)力在三級(jí)左右時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的航拍工作干擾程度較小，在當(dāng)風(fēng)力超過(guò)四級(jí)的情況下，則需要停止工作，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整重新選擇工作的時(shí)機(jī)。在實(shí)際工作時(shí)間方面，則一般選擇工作在午間前后的時(shí)間進(jìn)行，但同時(shí)還需要考慮降低因云層太厚或過(guò)高產(chǎn)生的陰影等的干擾。在進(jìn)行無(wú)人機(jī)研究項(xiàng)目時(shí)，相關(guān)的技術(shù)人員還必須進(jìn)行對(duì)天氣因子所影響的大數(shù)據(jù)分析，從而通過(guò)技術(shù)手段減少了這些影響可能產(chǎn)生的影響，并由此擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)測(cè)繪的研究領(lǐng)域。

8 無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)的展望

大規(guī)模無(wú)人機(jī)測(cè)量和制圖是一個(gè)相對(duì)年輕的熱點(diǎn)。它使用攝影設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備，將在理論和實(shí)踐方面得到迅速發(fā)展。此外，它與新型傳感器和其他測(cè)量工具（如GPS、總站、激光掃描儀）結(jié)合在一起，為大規(guī)模地形測(cè)量和制圖帶來(lái)了極大的便利性。便于提高測(cè)量和制圖的準(zhǔn)確性與效率。成像無(wú)人機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)的大型地形圖的平面精度相對(duì)容易滿足，但高度精度仍難以提高。

9 結(jié)語(yǔ)

如今的時(shí)代是信息快速發(fā)展的時(shí)代，如何快速獲取3D空間數(shù)據(jù)已成為熱門話題。無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于測(cè)量和制圖領(lǐng)域，成為一項(xiàng)熱門的新興科研技術(shù)。一方面，它速度快、精度高，也降低了測(cè)量和制圖人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；其次，它的操作靈活，完全滿足了比例尺測(cè)量和制圖精度的要求。在不久的將來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)將滲透到每個(gè)人的生活中，也將給測(cè)量和制圖帶來(lái)新的技術(shù)革命。