工程測量中無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用

李 帥，張 杰，杜立杰，李 盼

(北京速測信息科技有限公司，北京 100080)

1 無人機(jī)航測技術(shù)

1.1 無人機(jī)航測技術(shù)原理

將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于工程測量中可以有效提高測量效率與測量精度，通過對高分辨率影像數(shù)據(jù)的快速處理與反饋來獲取質(zhì)量較高的影像數(shù)據(jù)，但同時對無人機(jī)的拍攝能力和數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。目前，主流的無人機(jī)航測技術(shù)主要包括影像資料采集與數(shù)據(jù)處理兩個系統(tǒng)，其中影像資料采集必須建立在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過操縱無人機(jī)沿著計(jì)劃航線來獲取相應(yīng)的航拍影像資料。通常情況下，需要將航向重疊保持在70%，旁向重疊保持在50%。航拍相片重疊是指無人機(jī)對同一目標(biāo)間隔相同距離的兩個位置進(jìn)行拍攝，因此無人機(jī)航拍對其數(shù)據(jù)信息處理能力具有較高要求。無人機(jī)航拍技術(shù)的數(shù)據(jù)信息處理整合能力不斷增強(qiáng)，可以在短時間內(nèi)對無人機(jī)航拍的大量相片進(jìn)行處理分析，檢測相片拍攝質(zhì)量并對其預(yù)處理與更正。隨著無人機(jī)航拍技術(shù)適應(yīng)范圍越來越大，其在工程測量中應(yīng)用越來越廣泛，其中遙感信息處理系統(tǒng)分為三維建模系統(tǒng)與空中三角測量系統(tǒng)?？罩腥菧y量系統(tǒng)是無人機(jī)航測應(yīng)用于工程測量的基礎(chǔ)，可以有效提高航測精度?？罩腥菧y量系統(tǒng)是對航帶的整合處理，確定不同行帶之間的關(guān)系，對影像通過定向分析整合，確定無人機(jī)航測影像的連接點(diǎn)設(shè)置，通過相控點(diǎn)與平差計(jì)算來構(gòu)建完善的工程三維立體模型。無人機(jī)航測技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航測技術(shù)原理Fig.1 Principle of UAV aerial survey technology

1.2 無人機(jī)航測技術(shù)要求

無人機(jī)航測技術(shù)作為現(xiàn)代主要數(shù)據(jù)采集手段之一，在工程地形數(shù)據(jù)采集上具有較高效率，使工程數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性提高。無人機(jī)航測技術(shù)在不同地形條件下平面與高程精度要求不同，具體如表1所示。

表1 無人機(jī)航測技術(shù)在不同地形條件下平面與高程精度 (m)

在工程測量中應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，為了獲取更加精準(zhǔn)的測量結(jié)果，為工程開展提供數(shù)據(jù)參考，在應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)前要做好準(zhǔn)備工作。全面檢查無人機(jī)航測系統(tǒng)，確保無人機(jī)設(shè)備與拍攝設(shè)備正常運(yùn)行，確保無人機(jī)攝影設(shè)備影像呈現(xiàn)效果清晰，在無人機(jī)起飛前需要分析周圍空中環(huán)境，可以為無人機(jī)飛行拍攝提供良好空間條件。應(yīng)用無人機(jī)航測的技術(shù)必須嚴(yán)格遵守航測工作流程，使航測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性提高。

2 無人機(jī)航測技術(shù)在工程測量中的優(yōu)勢

2.1 操作簡單

工程測量中應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，無人機(jī)不需要專業(yè)駕駛員進(jìn)行操作作業(yè)，只需要無人機(jī)控制人員對拍攝影像隨時注意查看，注意觀察無人機(jī)的飛行狀態(tài)。無人機(jī)操作技術(shù)也越來越簡單，小型無人機(jī)機(jī)身、體積及重量都大大減少，最小的無人機(jī)只有巴掌大小，在手上就可以實(shí)現(xiàn)起飛與降落。無人機(jī)航測技術(shù)相較于傳統(tǒng)客機(jī)航測技術(shù)大大減少了選擇起飛降落地點(diǎn)的問題，其機(jī)身質(zhì)量增加，在低空飛行可以很好地適應(yīng)風(fēng)向變化，降低飛行設(shè)備振動，避免對拍攝數(shù)據(jù)與圖像采集造成影響。使用無人機(jī)航測技術(shù)只需要提前設(shè)定無人機(jī)飛行路線，隨時觀察無人機(jī)的飛行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況修正。無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生問題時可以自行降落或飛回至起點(diǎn)排除故障，由于無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維修或零件更換成本較低，排除故障后可以重新飛行測量。

2.2 拍攝精確度高

無人機(jī)航測技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，對無人機(jī)操作人員技術(shù)水平要求較低，極大程度減少了無人機(jī)操作時間與數(shù)據(jù)分析處理時間，無人機(jī)自身所攜帶的高清攝影相機(jī)與專業(yè)測繪儀器，可以將工程拍攝影像質(zhì)量大幅度提高，提升工程測繪精確度。無人機(jī)具有一定的智能與自動化，可以在一定程度減少工作壓力，提高工作效率質(zhì)量。無人機(jī)還可以使用低空遙感模式對工程地理信息完成勘測，不管在高空還是超低空下都可以正常完成測繪作業(yè)，廣泛應(yīng)用于工程測量與應(yīng)急救援領(lǐng)域中。

2.3 飛行周期短

無人機(jī)測繪技術(shù)在工程測量中應(yīng)用具有較短的飛行周期，可以實(shí)現(xiàn)快速起飛降落，在數(shù)據(jù)獲取分析及處理中，只需要投入較少時間。無人機(jī)測繪技術(shù)成本相較于傳統(tǒng)客機(jī)測繪技術(shù)成本非常低，主要由于無人機(jī)制造材料成本低，保養(yǎng)頻率低，零件構(gòu)造簡單，后期維修費(fèi)用少，極大程度減少了工程測繪成本。無人機(jī)具有簡單的操作模式，測繪人員可以在短時間內(nèi)學(xué)會無人機(jī)設(shè)備操作和拍攝程序的使用，無需再投入其他成本，具有使用成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3 無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用流程

3.1 無人機(jī)航測技術(shù)外部處理工作

外部工作包括工程控制點(diǎn)建立，航測路線規(guī)劃及實(shí)際航測作業(yè)。建立工程控制點(diǎn)時如果仍然采用傳統(tǒng)地形測量技術(shù)對復(fù)雜的工程地形進(jìn)行測量，將會出現(xiàn)一些問題，因此可以將無人機(jī)空中識別技術(shù)應(yīng)用于工程控制點(diǎn)建立中，通常每隔260 m建立一個工程控制點(diǎn)，控制點(diǎn)數(shù)量取決于工程項(xiàng)目的規(guī)模大小。無人機(jī)航線規(guī)劃過程中，必須依據(jù)工程項(xiàng)目規(guī)模與地形來確定無人機(jī)飛行高度與飛行路線，應(yīng)先對航測區(qū)域的地質(zhì)條件、面積大小、天氣情況等多因素進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)無人機(jī)實(shí)際航測情況設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的航線，包括確定航線數(shù)量與航線方向，盡可能得到工程準(zhǔn)確合理的數(shù)據(jù)，確保航測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。應(yīng)注意無人機(jī)的速度與飛行高度，確保拍攝圖像足夠清晰?？梢詫z查路線預(yù)期輸入到無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，通過無人機(jī)對空氣環(huán)境進(jìn)行檢查，通過無人機(jī)航測技術(shù)來獲取更加真實(shí)有效的工程數(shù)據(jù)。無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用流程Fig.2 Application process of UAV aerial survey technology

3.2 無人機(jī)航測低空作業(yè)

在低空環(huán)境作業(yè)測繪中，采用傳統(tǒng)客機(jī)航拍技術(shù)經(jīng)常會由于地形因素和天氣環(huán)境影響導(dǎo)致測繪結(jié)果出現(xiàn)問題，使航拍起降受到較大限制，如果在拍攝過程中遇到云層還會影響拍攝質(zhì)量，降低航拍安全性。應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)可以有效解決這些問題，無人機(jī)航測起飛降落對外界環(huán)境要求較低，不會受到云層的影響。無人機(jī)航測在低空作業(yè)時不需要技術(shù)人員實(shí)施跟蹤，所有操作流程都可以通過遠(yuǎn)程遙控技術(shù)完成，有效保證了操作人員的安全。

3.3 工程數(shù)據(jù)采集

航測數(shù)據(jù)采集作為無人機(jī)航測技術(shù)的重要組成，要對數(shù)據(jù)信息手動采集，通過自動加密系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息加密處理。通過操作設(shè)備對無人機(jī)遠(yuǎn)程操作拍攝，根據(jù)工程測量需求與實(shí)際施工情況來操作無人機(jī)，確保數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，當(dāng)數(shù)據(jù)采集后還需進(jìn)行自動加密，將拍攝的影像轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息儲存起來，根據(jù)相應(yīng)的算法自動加密，只有通過輸入密碼才能正常訪問數(shù)據(jù)信息。無人機(jī)航測技術(shù)通過自動加密可以有效確保數(shù)據(jù)采集的安全性，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)損失或丟失。影像測繪過程中，要根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況合理規(guī)劃設(shè)置無人機(jī)路線，在無人機(jī)測繪起飛前，調(diào)整相機(jī)鏡頭，查看相機(jī)成像效果，避免由于攝像設(shè)備問題造成無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用效果較差。無人機(jī)飛行過程中路線并不是非常穩(wěn)定，有時會出現(xiàn)偏角問題，如果風(fēng)力過大還會造成無人機(jī)影像旋片角度過大，實(shí)際影像無法直接對應(yīng)。因此技術(shù)人員必須合理規(guī)劃無人機(jī)飛行環(huán)境、起落平臺及飛行路線，根據(jù)無人機(jī)飛行特點(diǎn)開展測量作業(yè)。通常情況下采用空中三角測量技術(shù)定點(diǎn)測量，通過其自動化特點(diǎn)對無人機(jī)航測中的操作誤差自動糾正處理，自動匹配相應(yīng)航線數(shù)據(jù)，對連接點(diǎn)提取并測量，判斷是否分布均勻，有效增強(qiáng)航拍畫面的清晰程度，使影像匹配與連接點(diǎn)提取的誤差有效降低，避免無人機(jī)拍攝錯誤，提高無人機(jī)航測質(zhì)量。

3.4 影像數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航測技術(shù)在工程測量中應(yīng)用，要采集到航拍圖像數(shù)據(jù)并對航拍圖像質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，確保滿足工程建設(shè)對地形圖測量的要求，如果不能滿足需求還需要進(jìn)行再次拍攝，直到航拍圖像滿足工程規(guī)劃要求?？梢酝ㄟ^對航拍圖像檢查，進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，完成空中三角測量后可以合并不同子塊的航空圖像，使用相同的圖像控制點(diǎn)來執(zhí)行不同子塊的圖像數(shù)據(jù)。對其中嚴(yán)重誤差進(jìn)行排除，處理區(qū)域網(wǎng)絡(luò)限制問題。將圖像數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入映射軟件中，對內(nèi)部方向、相機(jī)變形及平均高度測量等參數(shù)完成設(shè)置。根據(jù)工程地形數(shù)據(jù)完成編輯，如果最終工程情況出現(xiàn)缺陷，必須及時發(fā)現(xiàn)并矯正，直到地形圖生成滿足工程規(guī)劃要求。

3.5 無人機(jī)航測內(nèi)部處理工作

無人機(jī)航測技術(shù)的內(nèi)部處理工作主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與數(shù)據(jù)結(jié)算兩方面。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作是將無人機(jī)中的航測數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，對其航測位置與影像資料進(jìn)行處理，對無人機(jī)整體航向與旁向角度調(diào)整，處理無人機(jī)航測數(shù)據(jù)，在之前控點(diǎn)布設(shè)的基礎(chǔ)上確定工程具體坐標(biāo)。數(shù)據(jù)結(jié)算工作中，需要將無人機(jī)航測相關(guān)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出，在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立具體位置坐標(biāo)圖，將坐標(biāo)圖與工程實(shí)際位置相匹配，對工程數(shù)據(jù)規(guī)劃處理，根據(jù)控制點(diǎn)位置來選擇工程合適的坐標(biāo)體系，完成數(shù)據(jù)處理。

4 無人機(jī)航測質(zhì)量提高措施

4.1 確定合適的測量技術(shù)

工程測量中使用無人機(jī)航測技術(shù)，要獲取工程數(shù)據(jù)資料就必須根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的測量方法，根據(jù)工程不同測量區(qū)域內(nèi)容來選擇合適的測量技術(shù)，將測量數(shù)據(jù)及時反饋處理，確保數(shù)據(jù)信息獲取質(zhì)量。完成無人機(jī)航測數(shù)據(jù)采集，在記錄過程中開始二次航測，分解無人機(jī)飛行路線，確保飛行路線更加準(zhǔn)確與全面，在收集航測數(shù)據(jù)過程中采取有效措施提高無人機(jī)攝像分辨率，使數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。獲取無人機(jī)航測數(shù)據(jù)時，不但要對其進(jìn)行檢測，還要通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)對檢測獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使數(shù)據(jù)資料精確度更高。

4.2 提高技術(shù)人員專業(yè)水平

應(yīng)要求工程測量人員參加無人機(jī)駕駛與拍攝技術(shù)培訓(xùn)，提高專業(yè)能力，積累操作經(jīng)驗(yàn)，幫助測量人員盡快掌握無人機(jī)航測技術(shù)。通過提高測量人員操作水平，將無人機(jī)航測誤差控制在一定范圍內(nèi)，提高精度。應(yīng)打造綜合素質(zhì)高的專業(yè)測量技術(shù)人員隊(duì)伍，制定合理的績效考核制度，使其保持積極性與能動性。還可以采用社會招聘方法，不斷引進(jìn)高水平的專業(yè)人員，使無人機(jī)航測工作質(zhì)量有效提高。操作人員應(yīng)定期參加業(yè)務(wù)能力培訓(xùn)與技能訓(xùn)練，通過科學(xué)有效的培訓(xùn)方式，使無人機(jī)操作理念與操作技巧更新發(fā)展，提高技術(shù)水平，確保無人機(jī)飛行迅速，減少無人機(jī)航測過程中的旋轉(zhuǎn)角度，提高航拍數(shù)據(jù)系資料的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。測量人員與無人機(jī)操作人員還應(yīng)加強(qiáng)溝通交流，避免無人機(jī)航測過程中產(chǎn)生問題，提高無人機(jī)航測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

5 結(jié)語

近年來，無人機(jī)航測技術(shù)在工程測量領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。相較于傳統(tǒng)航測技術(shù)，無人機(jī)航測技術(shù)具有投入成本低、操作簡單及拍攝精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高工程測繪工作效率質(zhì)量。技術(shù)人員依據(jù)無人機(jī)航測技術(shù)特點(diǎn)，采用正確操作流程，可以有效提高無人機(jī)航測技術(shù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，獲得更加精準(zhǔn)的工程數(shù)據(jù)，促進(jìn)工程建設(shè)順利展開。