無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與RTK在水運(yùn)工程中應(yīng)用研究

魏小明

（中交二航院工程咨詢監(jiān)理有限公司，武漢430060）

1 引言

與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)有著靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在工程測(cè)繪中發(fā)揮著重要的作用，通過(guò)無(wú)線遙控設(shè)備、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制與規(guī)劃，保證無(wú)人機(jī)可以在有限的范圍內(nèi)獲得可靠的數(shù)據(jù)信息。RTK 與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的結(jié)合可以通過(guò)對(duì)飛行參數(shù)的修正等獲得精度更高的測(cè)量數(shù)據(jù)，具有可視化功能，其獲得的數(shù)據(jù)可以為水運(yùn)工程勘察等提供重要的指導(dǎo)。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)量作業(yè)的基礎(chǔ)流程設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)攝影過(guò)程中，需要借助電臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航線的控制，無(wú)人機(jī)飛行的相關(guān)參數(shù)會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這就要求在無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要結(jié)合測(cè)量區(qū)域的實(shí)際情況，科學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行的相關(guān)參數(shù)，以保證數(shù)據(jù)采集的精確性與有效性。而無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與RTK技術(shù)的結(jié)合可以使其在測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)飛行的狀態(tài)與軌跡，從而獲得精度更高的數(shù)據(jù)。而DOM 與DEM 數(shù)據(jù)疊加的效果，更可以在系統(tǒng)中呈現(xiàn)出可視化的效果，進(jìn)行三維狀態(tài)的模擬，對(duì)于工程勘察等具有重要的參考價(jià)值[1]。

在無(wú)人機(jī)攝影系統(tǒng)中，主要包括無(wú)人機(jī)駕駛平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、地面遙控系統(tǒng)等部分，這些系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影數(shù)據(jù)的獲取起著至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)獲取一般包含了需求分析、資料整理、航線設(shè)計(jì)、場(chǎng)地選擇、起飛、航拍、降落、航攝質(zhì)量檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、航拍資料整合等過(guò)程。

通常情況下，無(wú)人機(jī)攝影系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)平行駕駛獲得精度較高的數(shù)據(jù)，在地面遙控系統(tǒng)的支持下，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中可以獲得海量的數(shù)據(jù)信息。在陣列相機(jī)與飛行系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員需要重視地面遙控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合，從而提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取流程的效率，保證獲取的數(shù)據(jù)資料應(yīng)用的可靠性，使其為后期的決策活動(dòng)提供重要的參考依據(jù)。

3 無(wú)人機(jī)定位中RTK輔助技術(shù)的應(yīng)用

在無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量過(guò)程中，如果采用普通的測(cè)量相機(jī)，就會(huì)使測(cè)量所獲得的圖像出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行相片精度的檢校，對(duì)相片進(jìn)行高精度的處理，使其能夠滿足測(cè)量要求。一般情況下，對(duì)于所獲得的圖像進(jìn)行空間交會(huì)處理，就會(huì)獲得外方位元素，并得到可能影響光束形狀的影響因子，進(jìn)而根據(jù)該分析結(jié)果，對(duì)相機(jī)內(nèi)方位原色加以計(jì)算與調(diào)整，使得方位元素的呈現(xiàn)更為清晰，在一定程度上避免影像畸變的發(fā)生。

RTK 技術(shù)所獲得的定位信息更為準(zhǔn)確，滿足了工程測(cè)量對(duì)于目標(biāo)實(shí)體的空間精度要求。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)與RTK技術(shù)的結(jié)合，可以保證無(wú)人機(jī)獲取更為準(zhǔn)確的位置信息，使無(wú)人機(jī)可以按照預(yù)先設(shè)定的航線飛行，并且可以為飛行調(diào)整提供重要的支持[2]。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與RTK 技術(shù)的結(jié)合使GPS與相機(jī)曝光同時(shí)進(jìn)行，獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)必要的處理以后，直接得到像片的6 個(gè)外方位元素，建立各個(gè)像片之間的位置關(guān)系，為空中三角測(cè)量等提供了便利。

4 無(wú)人機(jī)航攝影像的快速處理

4.1 航攝影像空三加密處理

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量時(shí)，空中三角測(cè)量的坐標(biāo)點(diǎn)與地面控制點(diǎn)之間會(huì)存在位置的偏差，因此，為了獲得更為精確的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，就需要將地面控制點(diǎn)作為平差條件，然后根據(jù)計(jì)算公式，將其轉(zhuǎn)化為求解影像定向元素與測(cè)圖控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。在此問(wèn)題的處理上，可以利用野外控制測(cè)量工作到室內(nèi)的轉(zhuǎn)移來(lái)完成，這種測(cè)量方式保證了測(cè)量的質(zhì)量與效率。空中三角測(cè)量中包含了很多的測(cè)量方式，根據(jù)數(shù)據(jù)模型的來(lái)源與差異，可以分為航空法、獨(dú)立模型法、光束法。

獨(dú)立模型法在使用中需要進(jìn)行延時(shí)攝影的數(shù)據(jù)測(cè)繪，隨后，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)其單位差的坐標(biāo)觀測(cè)值，求解控制點(diǎn)坐標(biāo)，從而分析像點(diǎn)坐標(biāo)的變化方向，使得坐標(biāo)的原始觀測(cè)值更為清晰與可靠。這種測(cè)量方式在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，一般采用平差處理的方式，從而使攝影獲得的影像更為清晰。

光束法在實(shí)際的測(cè)量任務(wù)中，是把攝影測(cè)量中的一個(gè)攝影光束作為一個(gè)平差計(jì)算單元，將像點(diǎn)坐標(biāo)作為觀測(cè)值坐標(biāo)，采用共線方程計(jì)算的方式求解其中的定向元素與控制點(diǎn)坐標(biāo)。與其他測(cè)量方式相比，光束法測(cè)量的精度更高，對(duì)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)處理以后，需要用光束法進(jìn)行平差計(jì)算，將相關(guān)的參數(shù)導(dǎo)入相機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配，對(duì)于一些點(diǎn)位不足的情況，需要人工加點(diǎn)，保證其處理的精度。

4.2 圖像快速拼接技術(shù)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量過(guò)程中，飛行高度低、影像分辨率高是其明顯的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，這種測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)可以使其獲得的影像更為清晰，具體來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)攝影系統(tǒng)中所包含的相機(jī)會(huì)受到像幅的約束，使得影像的地面覆蓋區(qū)域較小，就需要極多的影像資料來(lái)獲得更為清晰的圖像，這種情況下，測(cè)量區(qū)域內(nèi)正射影像圖必須進(jìn)行多幅圖像的融合方可實(shí)現(xiàn)，因此，圖像快速拼接技術(shù)具有實(shí)施的必要性與重要意義。圖像快速拼接技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、色彩學(xué)等技術(shù)進(jìn)行航拍圖像的空間匹配與對(duì)準(zhǔn)，從而可以使得獲得的圖像不存在明顯的色差。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的核心是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以使其在實(shí)際的應(yīng)用中進(jìn)行圖像識(shí)別與匹配，獲得攝影所需要的圖像信息，提高其精確性。

對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影所獲得的影像資料，如果其尺度變換較大，就可以采用尺度不變特征變換算法，從無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量圖像中進(jìn)行影像特征的提取。該算法的基本原理是借助于不同尺度影像的高斯差分核與原始圖象，產(chǎn)生多尺度的空間，在此空間內(nèi)尋找并提取極值點(diǎn)，也就是特征點(diǎn)，從而確定特征點(diǎn)的位置與方向，使得該位置與方向不受其他因素（如圖像縮放、旋轉(zhuǎn)、光線變化等）的影響[3]。在攝影信息大量存在的情況下，尺度不變特征變換算法可以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確找到特征點(diǎn)。但是，無(wú)人機(jī)在進(jìn)行影像資料獲取的過(guò)程中，常常受到其他因素的干擾，使得其在特征點(diǎn)匹配中常常存在錯(cuò)誤匹配的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了匹配的正確性，因此，需要在此過(guò)程中重視該問(wèn)題的處理。

5 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與RTK在水運(yùn)工程中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行攝影測(cè)量的過(guò)程中，需要借助于航空飛行，進(jìn)行相關(guān)測(cè)量區(qū)域內(nèi)空間數(shù)據(jù)的獲取，而在此過(guò)程中，DEM、DOM 等模型數(shù)據(jù)可以通過(guò)構(gòu)建三維模擬情景，通過(guò)可視化功能，在系統(tǒng)內(nèi)獲得更為精確的信息。在水運(yùn)工程中應(yīng)用該模型，可以獲得更為真實(shí)、完整、可靠的數(shù)據(jù)，在這些空間數(shù)據(jù)的處理中，需要對(duì)高程模型用三維地表模型加以覆蓋處理，從而提升其數(shù)據(jù)處理的實(shí)際水平，獲得更為可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。

無(wú)人機(jī)在獲取了相關(guān)的影像資料以后，借助于該信息處理模型，尤其是該模型在水運(yùn)工程中的應(yīng)用，使得實(shí)際的平面問(wèn)題轉(zhuǎn)移到了數(shù)據(jù)處理層中，在該信息與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，由于具有可視化與模擬等功能，還可以進(jìn)行實(shí)際的施工模擬，從而使得該模擬效果可以為水運(yùn)工程的勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)等提供重要的數(shù)據(jù)支撐[4]。在水運(yùn)工程的選址、規(guī)劃、設(shè)計(jì)等方面，模型所獲得的信息中包含了地上地下的地形地質(zhì)因素、水文、波浪等，因此，可以為有關(guān)的工程決策提供支持。此外，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量中可以獲得DEM 與DOM 數(shù)據(jù)，還能夠疊加相關(guān)的水深數(shù)據(jù)，再經(jīng)由三維模擬以后，將所獲得的攝影信息以最直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)，從而為水運(yùn)工程建設(shè)等提供重要的參考。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與RTK 技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，尤其是在水運(yùn)工程中的應(yīng)用，取得了一定的應(yīng)用效果。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，相關(guān)人員要充分根據(jù)數(shù)據(jù)處理流程，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)、影像資料的整合，提高攝影測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證其應(yīng)用效果。