小型無人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

李文鵬，楊益軍，李天蘭

（昆明理工金圖科技有限公司，云南 昆明 650031）

傳統(tǒng)的地形圖測(cè)繪方式大都采用全野外采集方式，例如全站儀和GPS-RTK等，存在的弊端也很明顯，例如成圖周期長(zhǎng)，人力成本高，采集數(shù)據(jù)效率低。隨著科技的不斷發(fā)展，無人機(jī)的技術(shù)逐步成熟，利用航空攝影測(cè)量成為了我國(guó)較大范圍地理信息主要的采集方法之一，全面的優(yōu)化了傳統(tǒng)測(cè)繪方法。但是，傳統(tǒng)的航空測(cè)繪方法，受限于種種原因，無法滿足小范圍大比例尺地形圖測(cè)繪所需要的條件[1]。本文就對(duì)小型無人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

1 小型無人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r

“無人機(jī)”顧名思義就是無人駕駛的小型飛機(jī)，英文簡(jiǎn)寫為“UAV”，具有的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)明顯，主要是通過自帶的程序控制設(shè)備和無線電傳輸信號(hào)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制，無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，能去到很多人們無法到達(dá)的地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)[2]。同時(shí)，它不需要人對(duì)它進(jìn)行駕駛，降低了很多的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，它不但可以完成有人駕駛飛機(jī)的任務(wù)，同時(shí)還可以完成有人駕駛飛機(jī)不適合完成的任務(wù)。在面對(duì)自然災(zāi)害和突發(fā)事件時(shí)，無人機(jī)能起到一個(gè)很好的應(yīng)急和預(yù)警作用。隨著技術(shù)的不斷改良，小型無人機(jī)運(yùn)用的范圍越來越廣，成本也會(huì)越來越低，市場(chǎng)需求也就隨之變得很大[3]。相信在未來，人工智能技術(shù)達(dá)到成熟，無人機(jī)的技術(shù)也就越來越成熟，各方面的性能也會(huì)趨于完美，不僅僅局限于航拍技術(shù)，在其他的各個(gè)方面也會(huì)有很好發(fā)展方向，例如物流、通信、防災(zāi)等等，完完全全可以在方方面面影響讓未來人們的生活。就目前而言，航拍技術(shù)需求最為急切。

2 小型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

小型無人機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，無人機(jī)系統(tǒng)主要由無人機(jī)的飛行平臺(tái)、非測(cè)量型照相機(jī)、保持平衡的穩(wěn)定平臺(tái)、地面控制站、傳輸信號(hào)的遠(yuǎn)程通信裝置和對(duì)地型進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理軟件組成。無人機(jī)由于體積小，無人駕駛，比傳統(tǒng)的航拍測(cè)量更加方便，快捷，它對(duì)飛行場(chǎng)地的要求低，在各種惡劣的環(huán)境條件下都能夠快速安全的起飛，并且，他不需要申請(qǐng)航空許可，體積小，便于人們隨身攜帶。

無人機(jī)的操作原理和系統(tǒng)都很簡(jiǎn)單，所以，無人機(jī)在制作成本上，以及系統(tǒng)維護(hù)中都非常低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)在。操作靈敏，因?yàn)轶w積小巧，所以在作業(yè)方面也是非常靈活，圖像成像成本價(jià)格低廉，所以，在整體上利用小型無人機(jī)航拍測(cè)繪地圖所需要的成本比傳統(tǒng)航拍更加經(jīng)濟(jì)實(shí)在。

人為駕駛的飛機(jī)飛行高度都普遍偏高。而小型無人機(jī)的飛行高度就比較低，所以在航拍測(cè)量的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)航拍測(cè)量呃呃數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，獲得更加精細(xì)的大比例尺影像，所以小型無人機(jī)在繪制小范圍大比例尺地形圖中更具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，小型無人機(jī)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)能力也是非常強(qiáng)的，按照實(shí)際需要，可獲得高度重疊的地形圖影像，增強(qiáng)獲得高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)處理能力。

3 測(cè)區(qū)的大概情況

對(duì)于很多測(cè)量人員很難進(jìn)入的地區(qū)，利用無人機(jī)進(jìn)行航拍測(cè)量數(shù)據(jù)就顯得十分必要，例如上海浦東地區(qū)的大治河入海口南側(cè)的潮間灘和四川盆地高山地區(qū)，測(cè)量人員及難進(jìn)入的地區(qū)，利用無人機(jī)采集數(shù)據(jù)，既降低了繪制成本，又大大節(jié)約人力資源。

4 無人機(jī)的數(shù)據(jù)采集及處理

4.1 布測(cè)控制點(diǎn)

控制點(diǎn)的布置及數(shù)量非常重要，因?yàn)樾⌒蜔o人機(jī)在高空受高度、氣流以及信號(hào)強(qiáng)弱等因素的影響，飛行狀態(tài)并不是十分穩(wěn)定，因此，小型無人機(jī)用于記錄的信號(hào)的POS信息不具備繪制大比例尺測(cè)圖的條件。所以要根據(jù)具體的地形以及繪制的難易程度和路的布測(cè)控制點(diǎn)，例如合理安排控制的數(shù)量以及控制點(diǎn)的地點(diǎn)。以保證其能夠通過系統(tǒng)測(cè)量，合理利用GPS網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行測(cè)量，以保證所有控制點(diǎn)都能夠精準(zhǔn)覆蓋，且精度均小于2cm，以保證繪圖的準(zhǔn)確度。

4.2 影像數(shù)據(jù)的采集與整理

在繪圖過程中，圖像數(shù)據(jù)的采集是繪圖的關(guān)鍵步驟，在進(jìn)行采集數(shù)據(jù)之前，必要的準(zhǔn)備工作就顯得十分重要，決定后面采集的數(shù)據(jù)是否能用。采集數(shù)據(jù)之前的第一步就是將DJIGD軟件接入無人機(jī)，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行飛行前的指南針校準(zhǔn)，其次就是檢查SD卡是否可用，還要檢查無線電傳輸信號(hào)是否能準(zhǔn)確接收，然后采用Altizuree軟件進(jìn)行此次飛行的航線路徑設(shè)定，根據(jù)具體的測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行飛行區(qū)域劃分。例如測(cè)量區(qū)域的特點(diǎn)是東西方向?qū)挘媳狈较蛘梢詫y(cè)區(qū)按東西方向化為五個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)飛行架次。同時(shí)，在飛行航拍采集數(shù)據(jù)時(shí)要合理設(shè)計(jì)圖像重疊度和飛行高度。最佳的圖像重疊度就是采用設(shè)定航線重疊度85%和旁像重疊度為80%，高度要根據(jù)具體的地形進(jìn)行設(shè)定。最后在按照設(shè)定好的路線起飛無人機(jī)，通過控制系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行操控，并在遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)查看利用無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的具體情況。

4.3 進(jìn)行處理數(shù)據(jù)

飛行結(jié)束后要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和處理，首先要導(dǎo)出拍攝的照片，并且需要把拍攝有像控點(diǎn)的照片挑選出來，再在每組像控點(diǎn)照片中選出六張照片進(jìn)行備用，而像控點(diǎn)盡可能的留在照片中間，以避免照片畸形帶來的影響，然后利用攝影測(cè)量自動(dòng)建模軟件對(duì)挑選出來的照片進(jìn)行處理，為保證最終的得到數(shù)據(jù)精確，就要利用相片的曝光點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行精確的處理，刪除多余不要的影像。最后將像控點(diǎn)的數(shù)據(jù)軟件中進(jìn)行刺點(diǎn)處理，刺點(diǎn)位置盡量保證在照片中間取得。獲得精確的數(shù)據(jù)之后要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以便得到最終結(jié)果，而數(shù)據(jù)的處理方式主要有空三解法、點(diǎn)云加密，每種計(jì)算過程都需要通過專業(yè)的攝影測(cè)量處理軟件自動(dòng)完成，在軟件上直接得出DSM與DOM數(shù)據(jù)結(jié)果，以供人們能夠更加直接的觀看數(shù)據(jù)結(jié)果，利用軟件進(jìn)行處理數(shù)據(jù)處理，在一定的程度上減輕了人工計(jì)算的難度以及人力制作成本。

4.4 繪制地圖

將上述計(jì)算得出的DOM數(shù)據(jù)直接輸入ArcGIS軟件中，將房屋、橋梁、道路、懸崖、山坡、樹林、水泥、草坪等等具體的物體圖層分別建立出來，并且依據(jù)DOM數(shù)據(jù)的分層矢量化處理。并且要把在野外采集的建筑物以及山丘草坪的具體特征點(diǎn)繪制到ArcGIS軟件中，將其數(shù)據(jù)特征與攝影測(cè)量矢量化后得到的特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，依照對(duì)比結(jié)果對(duì)DOM矢量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比糾正圖形，以此將矢量化后的結(jié)果進(jìn)一步精確，得到更加準(zhǔn)確的成果圖。為了獲取測(cè)量地區(qū)有關(guān)地形地貌的高程數(shù)據(jù)特征所采用的方法是利用DSM軟件以及在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)所收集有關(guān)地形地貌的高程數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)也輸入ArcGIS成圖軟件中，將地形地貌數(shù)據(jù)特征繪入地圖中，并將最終是矢量化結(jié)果轉(zhuǎn)換到CAD中，在依照最終成圖要求對(duì)地圖進(jìn)行修飾整理，最后將成果保存為DWG格式。

5 最終成果分析

將最終結(jié)果進(jìn)行最終的精確度分析，主要就是將影像成像點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的對(duì)比分析，包括高程以及平面，并將數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)為評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)DSM處理后得出的最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，得到實(shí)驗(yàn)最終的精確數(shù)值，按照國(guó)際繪制地圖的精確度誤差范圍考核繪制的地圖是否達(dá)標(biāo)。而根據(jù)國(guó)家頒發(fā)的《1：5001：10001：2000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》中要求1：1000比例尺平面和高程中誤差分別為0.6m和0.4m，1：500比例尺平面和高程中誤差分別為0.4m和0.4m，以此標(biāo)準(zhǔn)考核小型無人機(jī)在進(jìn)行航拍測(cè)量繪制大比例尺地圖中是否能夠準(zhǔn)確完成任務(wù)。

由測(cè)量數(shù)據(jù)顯明，小型無人機(jī)在進(jìn)行航拍、測(cè)量、繪制小范圍大比例地圖時(shí)非常精確，而在繪制大范圍小比例地圖時(shí)就沒有達(dá)到很精確，由此可以看到，小型無人機(jī)用在繪制大比例地圖時(shí)非常方便有效。

6 弊端分析

經(jīng)過多次測(cè)量對(duì)比分析可知，小型無人機(jī)在進(jìn)行航拍測(cè)量時(shí)，會(huì)受到很多因素的影響，例如飛行的高度，高空中的氣流，航線的設(shè)定，照片重疊度，天氣以及高空的溫度等等，都會(huì)對(duì)無人機(jī)的航拍測(cè)量造成影響，因此，在使用小型無人機(jī)進(jìn)行航拍測(cè)量時(shí)，除了要仔細(xì)檢查無人機(jī)自身的系統(tǒng)和測(cè)量軟件，還要充分考慮到測(cè)量環(huán)境、天氣對(duì)無人機(jī)的影響。

7 結(jié)語(yǔ)

小型無人機(jī)的誕生，是社會(huì)進(jìn)步的象征，是科技研發(fā)的成果。我們享受著科技帶來的便利，同時(shí)也利用科技的成果改變我們的生活。利用無人機(jī)航拍測(cè)量，將地圖更加精確地繪制出來，為人們的生活帶來便利，也為科技的研發(fā)提供途徑，將無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改良，實(shí)現(xiàn)以新技術(shù)為依托，并且在保證測(cè)量精度的情況下，使繪制地圖變得更加高效，更加快捷，并在很大的程度下改進(jìn)現(xiàn)有的作業(yè)技術(shù)。