淺談無人機(jī)航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用

◆張華陽 鮑健 王賽賽

淺談無人機(jī)航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用

◆張華陽 鮑健 王賽賽

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)航拍技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并且取得了顯著的效果。在工程項(xiàng)目中，測量測繪工作作為其中的重要環(huán)節(jié)，對于其精度的要求也越來越高，在傳統(tǒng)的測量測繪工作中，常常存在因?yàn)槿斯栴}而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真的情況，同時(shí)測量地形的復(fù)雜、工作量大導(dǎo)致工程進(jìn)度受到限制，而通過無人機(jī)航拍技術(shù)能夠有效減輕工作人員的工作量，同時(shí)大幅度提升測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。

無人機(jī)航拍技術(shù)；工程測量測繪；應(yīng)用

時(shí)代的不斷進(jìn)行，就地質(zhì)工程方面而言，其工程準(zhǔn)備階段和開展階段都進(jìn)行到全新的局面，測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度要求更高、執(zhí)行更加嚴(yán)格。通過采用無人機(jī)航拍技術(shù)能夠?qū)⑼ㄟ^定位系統(tǒng)、拍攝技術(shù)、地面監(jiān)控系統(tǒng)對測量區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的計(jì)算，從而有效提升測量工作的質(zhì)量和效率。

1 無人機(jī)航測系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)向著專業(yè)性、精密性的方向不斷發(fā)展，隨之無人機(jī)航測系統(tǒng)也形成了常規(guī)無人機(jī)航測與非常規(guī)無人機(jī)航測。

1.1 有關(guān)常規(guī)無人機(jī)航測系統(tǒng)組成

無人機(jī)航測遙感技術(shù)是集成遙感、遙控、航空測量為一體的新型測繪技術(shù)，并以數(shù)據(jù)信息快速處理平臺(tái)作為技術(shù)支持，對地物進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的調(diào)查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測。無人機(jī)平臺(tái)是配載控制系統(tǒng)和傳感器的飛行器，按照其機(jī)翼的形態(tài)分為兩種類型：旋翼和固定翼，在當(dāng)前階段旋翼無人機(jī)比較受使用者的喜愛，因?yàn)槠錂C(jī)身的構(gòu)造特點(diǎn)更加便于控制其飛行姿態(tài)。按照無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)可以分為燃料型、電動(dòng)型等。其遙感系統(tǒng)除飛行平臺(tái)以外還包括軟件和硬件的組成。慣性導(dǎo)航和飛行控制技術(shù)是對整個(gè)無人機(jī)飛行姿態(tài)以及所配載的有關(guān)配置加以管理控制的部分，主要的組成部分包括傳感器、慣導(dǎo)、接收機(jī)等，控制系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的核心技術(shù)，能夠?qū)o人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位，在出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)能夠使無人機(jī)自動(dòng)進(jìn)入著落狀態(tài)并確保安全降落。小型的無人機(jī)飛行器在進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，需通過傳感器對飛行器的速度、位置、姿態(tài)反饋信息加以收集，反饋信息來自不同傳感器。慣性測量模塊獲取姿態(tài)狀態(tài)，GPS技術(shù)獲取速度與位置信息，但是因?yàn)閱我煌ㄟ^GPS技術(shù)和IMU難以達(dá)到數(shù)據(jù)高精準(zhǔn)化，因此需要在傳感器系統(tǒng)中加入陀螺儀和氣壓計(jì)，并采取數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，從而確保無人機(jī)飛行器能夠安全、穩(wěn)定地進(jìn)行飛行工作。傳感器相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)的主要功能是獲取信息數(shù)據(jù)，在無人機(jī)系統(tǒng)中常用傳感器有熱成像儀、氣象傳感器、CCD等敏感組件。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是指將傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息傳送至地面監(jiān)測系統(tǒng)，并確保在傳輸?shù)倪^程中數(shù)據(jù)能夠保持完整性和清晰度[1]。

1.2 非常規(guī)無人機(jī)航測系統(tǒng)

相比于常規(guī)無人機(jī)飛行器，非常規(guī)無人機(jī)飛行器造價(jià)成本較低，因?yàn)槠涫褂梅奖恪⒃靸r(jià)低、體積小，對于環(huán)境的要求比較低、具有智能化的特點(diǎn)逐漸由軍事領(lǐng)域拓展至多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，其特點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：第一，非量測相機(jī)，之所以無人機(jī)飛行器能夠得到廣泛的應(yīng)用，主要是因其配載的遙感設(shè)備已經(jīng)逐漸普遍，已經(jīng)不再是重量沉重、造價(jià)昂貴、小型飛行器無法配載量測相機(jī)。非量測相機(jī)因?yàn)槠鋬?nèi)方位未知，因此其拍攝到的圖像沒有準(zhǔn)確的位置關(guān)系，同時(shí)因?yàn)榛兿禂?shù)性能不穩(wěn)定，因此無法直接對像位進(jìn)行計(jì)算解析。現(xiàn)階段一般情況下通過處理軟件對相機(jī)的參數(shù)加以標(biāo)定，然后對所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，從而獲得圖像具體的幾個(gè)位置，但是在精度方面還需要加以提高。第二，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，因?yàn)闊o人機(jī)飛行器是需要通過遠(yuǎn)程進(jìn)行遙控的，因此根據(jù)測量攝影最低標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的航向重疊度應(yīng)當(dāng)高于53百分之，旁向的重疊度應(yīng)當(dāng)高度15百分之，因?yàn)殡y以進(jìn)行有效的控制，同時(shí)飛行器的飛行高度不能忽高忽低，同時(shí)因?yàn)榉浅Ｒ?guī)無人機(jī)飛行器重量輕、機(jī)身體積小，在空中容易受到氣流的影響、地形條件影響、攝影區(qū)域地物變化，因此在重疊度方面會(huì)出現(xiàn)誤差，特別是對于大比例影響圖進(jìn)行制作時(shí)，對飛行姿態(tài)和航跡的控制較為困難，航向重疊度高于60百分之、旁向重疊度高于30百分之，無人機(jī)飛行器姿態(tài)角控制在正負(fù)三度以內(nèi)便能夠符合要求。按照微型無人機(jī)的特性，其旁向重疊度保持在35至55百分之之間、航向重疊度保持在70至85百分之之間、姿態(tài)角保持在正負(fù)10度即可，另外還需要確保三度重疊的部門滿足要求。如果無人機(jī)飛行器的姿態(tài)角不穩(wěn)定則會(huì)產(chǎn)生以下三點(diǎn)影響：首先，飛行器航跡會(huì)受到影響，發(fā)生改變；其次，航射儀定向和整平困難；最后，由于重疊度增大，導(dǎo)致等同面積攝影區(qū)域需要攝像更多照片進(jìn)行覆蓋，進(jìn)而造成計(jì)算量、處理任務(wù)增加。第三，因?yàn)闊o人機(jī)對電磁環(huán)境具有極高的要求，如果飛行區(qū)域周圍設(shè)置有高壓電網(wǎng)，那么其飛行路線和內(nèi)部程序會(huì)因電磁原因受到干擾，情況嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致飛行器墜毀，另外電磁干擾會(huì)對信息數(shù)據(jù)的傳輸和質(zhì)量造成影響。

2 無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)組成

2.1 軟件系統(tǒng)

首先，航線軟件，航線軟件決定無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行方向以及精準(zhǔn)度，同時(shí)屬于信息收集關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要對作業(yè)范圍、地形的特點(diǎn)、精度、測量參數(shù)進(jìn)行預(yù)先的設(shè)定，按照重疊度、行高、地面的分辨率能夠分析計(jì)算出無人機(jī)飛行的基線長度、曝光點(diǎn)等信息數(shù)據(jù)。其次，數(shù)據(jù)信息接收和處理軟件。此軟件是無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測量外業(yè)最后一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響著圖像處理質(zhì)量。無人機(jī)在對地面影像進(jìn)行獲取時(shí)，會(huì)受到外界以及內(nèi)部因素影響，為能夠確保圖像的質(zhì)量，通常會(huì)對原始拍攝影像加以預(yù)處理，比如圖像增強(qiáng)、圖像校正等[2]。

2.2 硬件系統(tǒng)

首先，機(jī)載系統(tǒng)，無人機(jī)航空測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是將航空技術(shù)和測量技術(shù)、遙感技術(shù)、定位技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，其中無人機(jī)主要是用于對航空測量系統(tǒng)搭載，是作為一個(gè)平臺(tái)，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠得到有效應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中主要包括，數(shù)字?jǐn)z影、飛行控制、無人機(jī)、通信等系統(tǒng)。在進(jìn)行測量工作時(shí)，首先對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，之后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)航線飛行，從而完成預(yù)設(shè)任務(wù)，并且將飛行的狀態(tài)、高度、氣象等情況傳送至監(jiān)控系統(tǒng)。其次，地面監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對飛行平臺(tái)能夠平穩(wěn)運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，包含電臺(tái)、計(jì)算機(jī)、電子通信、飛行控制等設(shè)備。工作時(shí)，無人機(jī)將收集到的數(shù)據(jù)信息傳送至監(jiān)控系統(tǒng)，并在地圖上顯示無人機(jī)位置、路線、速度、高度等參數(shù)，從而讓工作人員能夠?qū)o人機(jī)進(jìn)行精確的控制。

3 無人機(jī)航拍技術(shù)優(yōu)勢

無人機(jī)航拍技術(shù)在滿足天氣因素的條件下，能夠在不同的區(qū)域加以應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的飛機(jī)配載攝像系統(tǒng)，無人機(jī)航拍技術(shù)具有更加突出的優(yōu)勢，在對無人機(jī)飛行器應(yīng)用時(shí)只需要確定起飛點(diǎn)和降落點(diǎn)即可進(jìn)行測量測繪工作，有效解決了起飛降落需要較大場地的問題，在一定程度上降低了資金的消耗。相比于人工測量，無人機(jī)航拍技術(shù)更加高效、高質(zhì)，并且避免因?yàn)榈刭|(zhì)情況復(fù)雜問題而造成的人員工作難以開展的問題，通過定位系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)對地貌進(jìn)行拍攝，通過計(jì)算機(jī)處理分析，更高精度開展測量測繪工作[3]。

4 無人機(jī)航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用

應(yīng)用無人機(jī)航拍技術(shù)開展工程測量測繪工作前，首先需要對測量的區(qū)域和單位加以明確，對無人機(jī)的起飛位置、降落位置以及空間準(zhǔn)備加以確定，確保測量測繪工作的順利開展，并通過充分的準(zhǔn)備工作獲取準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。

4.1 航線規(guī)劃和范圍確定

在一般情況下，無人機(jī)飛行器的飛行時(shí)間最長可達(dá)一小時(shí)，去除飛行器起飛和降落的時(shí)間，需要將飛行器實(shí)際飛行時(shí)間控制在50分鐘內(nèi)，避免因?yàn)轱w行器能源耗盡而出現(xiàn)墜機(jī)情況，為能夠有效控制飛行器飛行時(shí)間，首先需要進(jìn)行航線規(guī)劃工作，并對無人機(jī)測量測繪工作范圍進(jìn)行合理的規(guī)劃，從而確保航空測量測繪工作的全面、完整。

4.2 構(gòu)建測量區(qū)域控制網(wǎng)

通過構(gòu)建區(qū)域控制網(wǎng)能夠?qū)y量測繪工作加以精細(xì)化，根據(jù)實(shí)際地測量面積構(gòu)建相應(yīng)范圍的控制網(wǎng)，并且在控制網(wǎng)范圍內(nèi)設(shè)定GPS基準(zhǔn)點(diǎn)，從而構(gòu)建三維坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)方式將區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)方位信息加以表述，有助于后期對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外需要注意的是，在此過程中需要確保路線計(jì)算和坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置的準(zhǔn)確性，避免因?yàn)樵O(shè)置錯(cuò)誤問題而影響測量測繪工作整體進(jìn)度。

4.3 數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航拍技術(shù)具有準(zhǔn)確性、靈活性，在數(shù)據(jù)信息勘查處理的過程中，相關(guān)測量測繪工作人員需要在航拍技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，對高度匹配計(jì)算設(shè)備加以應(yīng)用，在DSM自動(dòng)提取基礎(chǔ)上，對重疊影響進(jìn)行高效的處理，實(shí)現(xiàn)三維地表繪制。需要注意為了能夠合理地控制數(shù)據(jù)信息處理的精度，測量測繪工作人員需要將測量的數(shù)據(jù)與原始信息數(shù)據(jù)加以比對，在數(shù)據(jù)校正、航拍驗(yàn)證基礎(chǔ)上，有效提高無人機(jī)航拍質(zhì)量。

4.4 繪制地圖

對無人機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息加以分析建模，應(yīng)用三角測量系統(tǒng)構(gòu)建立體模型，將信息數(shù)據(jù)帶入，得到核線影像，對圖像進(jìn)行編輯，按照比例對結(jié)果加以確定。另外在數(shù)字地圖繪制的過程中還需要將一些細(xì)節(jié)部分放大標(biāo)注，然后進(jìn)行驗(yàn)證確保測量信息的準(zhǔn)確性，最后繪制相應(yīng)的數(shù)字地圖。

5 無人機(jī)航拍技術(shù)改進(jìn)措施

為確保無人機(jī)航拍技術(shù)在測量測繪工作中得到有效的應(yīng)用，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要測量單位加強(qiáng)對相關(guān)工作人員技能素質(zhì)的提升，確保其在能夠?qū)o人機(jī)航拍技術(shù)加以熟練的應(yīng)用，并且培養(yǎng)其故障診斷能力，從而有效避免因?yàn)闊o人機(jī)存在故障而強(qiáng)制飛行帶來的損失。相關(guān)的無人機(jī)廠家應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)階段市場的需求對無人機(jī)的飛行性能進(jìn)行改進(jìn)，例如在續(xù)航、攝影等方面進(jìn)行提升，相關(guān)的廠家可以通過和國內(nèi)外的知名攝像、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池廠家互相合作，從而有效提升無人機(jī)飛行器的硬件性能。另外，對于軟件方面相關(guān)的開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)對無人機(jī)使用過程中存在的一些漏洞加以完善。使無人機(jī)能夠在更多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。

6 總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)前階段，無人機(jī)航拍技術(shù)在地質(zhì)工程測量測繪中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了很大的成就，但是因?yàn)樘鞖狻夂蛞蛩氐挠绊戇€存在一些問題需要解決，需要相關(guān)的科研人員和生產(chǎn)商根據(jù)問題加以進(jìn)一步的研究，從而使無人機(jī)航拍技術(shù)得到更高效應(yīng)用。

[1]他光平.無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理及其精度評定[D].蘭州交通大學(xué)，2016.

[2]林仁超.無人機(jī)航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用[J].城市地理，2017（22）：126-127.

[3]陸麗紅.無人機(jī)航拍技術(shù)在工程測量測繪中的應(yīng)用[J].資源信息與工程，2016，31（04）：109-110.