無(wú)人機(jī)航空攝影在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

[關(guān)鍵詞]無(wú)人機(jī)航空攝影；測(cè)量技術(shù)；地形圖測(cè)繪；應(yīng)用

引言

地形圖測(cè)繪是一項(xiàng)重要的工作，其對(duì)于土地規(guī)劃、資源管理和災(zāi)害防治等方面具有重要的意義。傳統(tǒng)地形圖測(cè)繪方法通常采用地面測(cè)量和航空攝影測(cè)量?jī)煞N方式，但這些傳統(tǒng)方法存在各種問(wèn)題，如成本高、時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量低等。因此，尋找一種快速、高效、準(zhǔn)確的地形圖測(cè)繪方法成為研究的熱點(diǎn)。而無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)的出現(xiàn)，為地形圖測(cè)繪帶來(lái)了革命性的改變。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、低成本、高效率的特點(diǎn)，能在短時(shí)間內(nèi)獲取到精確的地形數(shù)據(jù)；搭載各種傳感器，如全景相機(jī)、激光雷達(dá)等，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的精度。目前，無(wú)人機(jī)航空攝影在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用已經(jīng)取得很多成果，但仍然存在各種挑戰(zhàn)：如何提高無(wú)人機(jī)的自主飛行能力、如何處理大量的地形數(shù)據(jù)等。因此，未來(lái)的研究方向要著重解決這些問(wèn)題，優(yōu)化無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用。

一、無(wú)人機(jī)航空攝影的基本原理

無(wú)人機(jī)航空攝影是指利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍攝影的一種技術(shù)。無(wú)人機(jī)航空攝影在近年來(lái)逐漸成為攝影愛(ài)好者和專(zhuān)業(yè)攝影師的新寵，其廣泛應(yīng)用于旅游攝影、地理測(cè)繪、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)航空攝影的基本原理是通過(guò)搭載在無(wú)人機(jī)上的航拍設(shè)備進(jìn)行空中拍攝，這些設(shè)備包括攝像頭、相機(jī)等傳感器，捕捉到高清晰度的照片。通過(guò)將無(wú)人機(jī)升空，從不同的角度和高度拍攝到地面上的景物，以獲得獨(dú)特的視角。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航空攝影和飛行控制系統(tǒng)有直接關(guān)聯(lián)，該系統(tǒng)通過(guò)遙控器或預(yù)先設(shè)定的航線(xiàn)控制無(wú)人機(jī)的飛行軌跡。在飛行過(guò)程中，航拍設(shè)備會(huì)連續(xù)拍攝照片或錄制視頻，將飛行路徑上的景物記錄下來(lái)，無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性也保證了拍攝照片的穩(wěn)定性。另外，無(wú)人機(jī)航空攝影還需要借助地面控制站。地面控制站是指用來(lái)監(jiān)控和控制無(wú)人機(jī)飛行的操作設(shè)備，通過(guò)地面控制站，操作者能觀(guān)察無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)，以及調(diào)整飛行軌跡、高度、拍攝參數(shù)等。地面控制站的存在保證了無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的安全性，同時(shí)也提供了更好的控制手感。

二、無(wú)人機(jī)航空攝影在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)作為一種快速的測(cè)繪手段，在地形圖測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的地形測(cè)繪方法，無(wú)人機(jī)航空攝影具有以下三個(gè)明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先，提供高分辨率的影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)搭載的高分辨率相機(jī)能捕捉到地面上微小的細(xì)節(jié)，從而在地形圖測(cè)繪中提供更加精確的數(shù)據(jù)，這對(duì)于需要進(jìn)行精確測(cè)量和分析的工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，如城市規(guī)劃、道路設(shè)計(jì)、建筑施工等。與傳統(tǒng)航空攝影相比，無(wú)人機(jī)航空攝影能夠靈活調(diào)整飛行高度和拍攝角度，從而進(jìn)一步提高影像的分辨率，為測(cè)繪工作提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持；其次，高效快捷的特點(diǎn)。傳統(tǒng)地形測(cè)繪方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力資源，而且受制于地形條件和環(huán)境限制，相比之下，無(wú)人機(jī)航空攝影能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成大面積的測(cè)繪工作。無(wú)人機(jī)可以在復(fù)雜的地形環(huán)境中自由飛行，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃和飛行控制，從而大大提高了測(cè)繪的效率。此外，無(wú)人機(jī)航空攝影還能通過(guò)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理流程，將航拍數(shù)據(jù)快速生成地形圖，并且可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)整，提供即時(shí)的反饋；最后，無(wú)人機(jī)航空攝影具有較低的成本。傳統(tǒng)的地形測(cè)繪方法需要借助昂貴的航空器搭載專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，成本較高且不易操作。而無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)相對(duì)成本較低，并且操作簡(jiǎn)便；無(wú)人機(jī)可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的設(shè)備配置，從而滿(mǎn)足不同項(xiàng)目的要求。無(wú)人機(jī)的使用還可以減少人力投入和降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。

三、地形圖測(cè)繪期間無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

（一）無(wú)人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)

無(wú)人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)主要是通過(guò)在測(cè)繪區(qū)域內(nèi)合理設(shè)置三個(gè)以上的控制點(diǎn)，以確保測(cè)繪結(jié)果的可靠性。在傳統(tǒng)測(cè)繪方法中，通常需要人工布設(shè)控制點(diǎn)，耗時(shí)耗力且成本較高，而無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)則能通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的定位系統(tǒng)，對(duì)測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的地物進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)的布設(shè)。在無(wú)人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)，工作人員要根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的大小和形狀，確定需要布設(shè)的控制點(diǎn)數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，至少需要三個(gè)控制點(diǎn)，以確保測(cè)繪結(jié)果的精度和可靠性。選擇合適的地理位置和高程，將無(wú)人機(jī)放置在第一個(gè)控制點(diǎn)上，并進(jìn)行地面標(biāo)志物的拍攝，地面標(biāo)志物可以是明顯的地物特征，如建筑物、道路交叉口等，也可以是通過(guò)鋪設(shè)測(cè)量標(biāo)志物來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后，將無(wú)人機(jī)移動(dòng)到第二個(gè)控制點(diǎn)上，同樣對(duì)地面標(biāo)志物進(jìn)行拍攝和記錄。在移動(dòng)過(guò)程中，要確保無(wú)人機(jī)的位置和高度與前一個(gè)控制點(diǎn)保持一致，以確保測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性。再將無(wú)人機(jī)移動(dòng)到第三個(gè)控制點(diǎn)上，同樣對(duì)地面標(biāo)志物進(jìn)行拍攝。在完成第三個(gè)控制點(diǎn)的布設(shè)后，測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的所有控制點(diǎn)都已經(jīng)完成布設(shè)。通過(guò)以上步驟，無(wú)人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)完成后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所拍攝的影像進(jìn)行處理，以獲取測(cè)繪區(qū)域的幾何信息和地形數(shù)據(jù)。

（二）空中三角測(cè)量技術(shù)

地形圖測(cè)繪是對(duì)地球表面地形特征進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量和繪制的過(guò)程，它在地貌分析、土地利用規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地形圖測(cè)繪期間的空中三角測(cè)量中，為地理信息系統(tǒng)和地形測(cè)繪工作帶來(lái)了革命性的變革。（1）地形測(cè)量。傳統(tǒng)地形測(cè)量需要耗費(fèi)大量的人力物力，而無(wú)人機(jī)可以通過(guò)搭載高分辨率相機(jī)進(jìn)行航拍，準(zhǔn)確地捕捉地面特征，快速生成高分辨率的地圖。這大大提高了地圖制作的效率，同時(shí)也減少了人為誤差。（2）地貌分析。通過(guò)航拍獲取的圖像數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行地貌特征的提取和分析。例如，通過(guò)對(duì)地表河流、山脈、湖泊等地貌特征的測(cè)量，可以研究地球的地質(zhì)演化過(guò)程，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和防治提供科學(xué)依據(jù)。（3）土地利用規(guī)劃。通過(guò)航拍獲取的高分辨率影像，對(duì)土地利用狀況進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測(cè)。這對(duì)于城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)發(fā)展、交通規(guī)劃等方面都具有重要意義。如通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍獲取城市內(nèi)部的空地利用情況，為城市規(guī)劃和土地資源管理提供科學(xué)依據(jù)。（4）環(huán)境監(jiān)測(cè)。通過(guò)航拍獲取的圖像數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行大氣污染、水質(zhì)污染、植被覆蓋等環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和分析，這對(duì)于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)具有重要意義，幫助相關(guān)部門(mén)及時(shí)采取措施保護(hù)環(huán)境。

（三）數(shù)字線(xiàn)劃圖技術(shù)

地形圖測(cè)繪是研究地球表面特征和地理環(huán)境的重要手段，傳統(tǒng)的地形圖測(cè)繪方法包括地面測(cè)量、航空攝影測(cè)量和地面控制測(cè)量等。數(shù)字線(xiàn)劃圖技術(shù)是無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的重要應(yīng)用，該技術(shù)通過(guò)對(duì)航拍圖像進(jìn)行處理，將地表特征線(xiàn)條提取出來(lái)，形成數(shù)字化的線(xiàn)劃圖，用于制作地形圖。目前，數(shù)字線(xiàn)劃圖技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)的地面測(cè)量和航空攝影測(cè)量，無(wú)人機(jī)航拍的成本更低廉，操作更加靈活方便；無(wú)人機(jī)航拍可獲取較高分辨率的航拍圖像，從而提供更精確的地表特征信息：數(shù)字線(xiàn)劃圖技術(shù)還可通過(guò)對(duì)航拍圖像的處理，自動(dòng)提取地表特征線(xiàn)條，大大降低了人工繪制地形圖的工作量。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字線(xiàn)劃圖技術(shù)已經(jīng)取得顯著的成果。例如：在城市規(guī)劃和土地管理中，利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)制作數(shù)字線(xiàn)劃圖，可以準(zhǔn)確提取出建筑物、道路和水系等地表特征，為城市規(guī)劃和土地管理提供重要參考依據(jù)。此外，在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警中，數(shù)字線(xiàn)劃圖技術(shù)也可以快速獲取受災(zāi)區(qū)域的地形信息，為救援和災(zāi)后重建提供支持。

（四）DOM工藝技術(shù)

DOM（Digital Orthophoto Map）工藝技術(shù)是無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的重要組成部分，DOM工藝技術(shù)可將無(wú)人機(jī)拍攝的影像進(jìn)行幾何校正和數(shù)字處理，生成無(wú)畸變、尺度統(tǒng)一、真實(shí)比例的正射影像。與傳統(tǒng)傾斜攝影相比，DOM工藝技術(shù)能有效地糾正地表的傾斜和高差，提高地形圖的可視化效果。在地形圖測(cè)繪期間，應(yīng)用DOM工藝技術(shù)能在較短時(shí)間內(nèi)獲取大量的地表影像數(shù)據(jù)，大幅度縮短地形圖的制作周期，提高工作效率。同時(shí)，DOM工藝技術(shù)生成的正射影像具有高精度和真實(shí)性，通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行幾何校正和數(shù)字處理，有效消除地表的傾斜和高差，使地形圖更加真實(shí)、準(zhǔn)確。同時(shí)，DOM工藝技術(shù)還能夠統(tǒng)一影像的尺度，使地圖上的各個(gè)元素和特征具有相同的比例關(guān)系，便于使用者進(jìn)行測(cè)量分析。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)可覆蓋廣泛的地域范圍，其具有良好的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性，能在復(fù)雜的地形和環(huán)境條件下進(jìn)行航行和拍攝。這使得無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)能夠應(yīng)用于山區(qū)、森林、湖泊等傳統(tǒng)測(cè)繪方法難以覆蓋的地區(qū)為地形圖測(cè)繪提供更全面的數(shù)據(jù)來(lái)源（如圖2所示）。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著科技飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展。在地形圖測(cè)繪期間，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用大大提高了測(cè)繪效率，降低了人力成本，提高了測(cè)繪精度。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)繪期間的應(yīng)用研究取得了豐碩的成果。無(wú)人機(jī)可以搭載多種傳感器，如高分辨率數(shù)碼相機(jī)、激光測(cè)距儀等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的高精度測(cè)量；無(wú)人機(jī)具有靈活性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的測(cè)繪環(huán)境，提高了地形圖測(cè)繪的準(zhǔn)確性和完整性；無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大面積同步測(cè)量，減少了地面測(cè)量所需的時(shí)間，提高了工作效率。然而，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)繪期間的應(yīng)用也面臨各種挑戰(zhàn)，無(wú)人機(jī)續(xù)航能力有限，需要頻繁更換電池，影響測(cè)繪效率。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，未來(lái)的研究應(yīng)著重于提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，優(yōu)化飛行控制算法，減少風(fēng)力對(duì)測(cè)量精度的影響。同時(shí)，還應(yīng)致力于降低傳感器成本，提高無(wú)人機(jī)測(cè)繪的經(jīng)濟(jì)性。

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目資助“無(wú)人機(jī)航空攝影在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：2024J1842）。