無人機航測在大比例尺地形圖測繪中的應用探究

趙正軍

（云南省水文水資源局西雙版納分局，云南 景洪 666100）

0 引言

在城市建設、農村土地規劃、水利工程建設的過程中，大比例地形圖測繪工作是非常必要的，但是從實踐角度來講，傳統的測繪方式很難滿足工程建設對于大比例地形圖測繪質量、測繪效率的需要。航空測量是現代技術革新之后最先應用于大比例尺地形圖測繪的技術，在當時極大地提升了大比例尺地形圖測繪的質量，但是航空測量在實踐中往往需要消耗較多的經濟成本與人力資源成本，同時對于測量所在地的氣象環境也有一定的要求，其限制條件比較多。無人機航測技術是近年來比較流行的技術類型，其在實踐中很好地結合了航空測量的優勢，并避免了成本高、條件要求高等缺點，廣泛應用于工程測繪活動中。

1 無人機航測的發展與基本構造

20 世紀70 年代，Przybilla 等第一次把攝影攝像裝置搭載到當時的無人機上，并將其應用在測繪領域，雖然這次實驗由于技術生疏、理論匱乏而沒有達到較為理想的實驗結果，但是卻真正開創了無人機航測的歷史，也是現代測繪史上的一次重大革新，標志著無人機航測時代的正式到來[1]。在2010 年之后，我國學者充分吸取了國內外的無人機航測技術經驗，并將低空無人機應用在大比例尺測圖的實例研究中，通過數據精度分析可知，其結果基本能夠滿足國家關于地圖測繪精度的相關要求，由此，低空無人機航測技術就開始廣泛運用于大比例尺地形圖測繪，為我國的工程建設、城市規劃設計、水利工程建設等活動提供了技術保障。

無人機航測系統主要包括以下3 個子系統：①空中控制系統。該系統的主要構件包括無人機主體、遙感傳感器子系統（主要包括信息獲取設備、信息傳輸設備）、遙感空中控制器子系統（主要結構為GPS 接收天線）。②地面控制系統。主要包括數字接收子系統、無人機航線規劃子系統、地面站系統等。地面控制系統在無人機航測系統中的作用十分重要，不僅是無人機控制的中心平臺，同時也是數據承接、轉移的重要樞紐。③后期數據處理系統。該系統的主要構件包括工作站、數據處理軟件、數字攝影測量軟件等。后期數據處理系統在整個無人機航測系統中的作用十分關鍵，是決定無人機航測數據滿足精確性要求的最直接因素[2]。典型的無人機航測設備如圖1所示。

圖1 典型的無人機航測設備

2 無人機航測的技術優勢

2.1 反應靈敏

反應靈敏是無人機航測技術相對于傳統測繪技術的首要優勢。具體而言，在大部分測繪情境下，其地形的復雜性均較強。以傳統的航空測繪方式為例，為了保證人員、器材的安全，操作人員需要將飛機長時間維持在高空飛行狀態，這種操作方式對于測區氣候環境的要求偏高，雨、雪、風、霧天氣都可能對航空測繪的精確度造成比較嚴重的影響。與航空測繪技術相比，無人機航測技術并不需要較大的起降平臺，其體型小巧，可以憑借旋翼實現小范圍的垂直起降，同時，體型小還意味著無人機能夠輕松穿梭在各個復雜地形之間，也能夠在復雜地形中以低空飛行的姿態獲取精準的觀測數據[3]。

2.2 時效性強

時效性強也是無人機航測獨有的技術優勢之一。具體而言，在無人機技術未普及之前，大比例尺地形圖測繪項目普遍采用的是衛星遙感數據測繪法，這種方法雖然能夠獲取較為精準的影像數據，但是在實踐中卻存在獲取時間長、數據內容時效性差等問題。而無人機航測技術能夠有效規避這一缺陷，在實際操作過程中，技術人員通過操作無人機能夠在短時間內將測區的地形圖像拍攝下來，并快速完成數據的分析與處理工作。根據相關調查數據顯示，在正常測繪情境中，無人機平均每天可以完成30 km2左右的測繪任務，能夠快速填補航空測繪中存在的小范圍精度不足的問題。

2.3 成本較低

成本較低也是無人機航測獨有的技術優勢之一。具體表現如下：①與傳統人工測繪技術相比，無人機測繪技術雖然在前期需要支出上萬元進行整套設備的購置，但是其在實踐中有著遠超人工測繪的工作效率與精確度，且機器的使用壽命也較長，這就可以降低無人機測繪的綜合測繪成本。②與航空測繪相比，無人機無論是在硬件購置、單次測繪成本支出方面都具備較強的價格優勢。根據相關調查數據顯示，在執行同等規模的測繪任務時，無人機測繪技術的綜合成本（主要包括機器購置成本、時間成本、人工成本等）遠低于人工測繪、航空測繪等技術[4]。

2.4 適用性強

適用性強也是無人機航測獨有的技術優勢之一。具體而言，大多數大比例尺地形圖測繪技術都具備一定的局限性，如人工測繪效率低、航空測繪要求多等，與這些測繪技術相比，無人機由于小巧的外形，很難受到復雜地形、云層等外界環境的影響，在大多數地形以及氣候條件下都能夠保持較高的精確度，這對于追求工作效率的工程建設活動來講是非常重要的。

3 無人機航測的基本流程

3.1 地面站、像控點設置

地面站、像控點設置是無人機航測活動的首要流程。具體操作流程如下：①技術人員在現場設置地面基站，并在其中安裝視頻顯示器、數據分析儀器、信息傳遞等設備。②從理論角度講，無人機航測能夠適應大多數的測繪場景，但是在實際運行過程中，較為惡劣的天氣以及極端高度也會對無人機的測量精度造成影響。針對這種情況，技術人員必須在測量活動正式開始之前，結合測區的地形、面積、路況因素，確定控制點的位置、數量、分布，并保證控制點精密度在2 cm 以下以及網絡的正常運行，這是無人機航測精確度能夠得以實現的重要條件[5]。

3.2 影像數據的采集與整理

影像數據的采集與整理也是非常重要的，具體操作流程如下：①對無人機機身、機載攝影設備狀況、存儲區域、信號傳遞器進行全面檢測，確保數據獲取與傳輸的穩定性。②使用特定軟件對無人機的測繪區域、具體航線進行預先設定，例如，ALtizuree軟件就可以滿足這一需求，值得注意的是，當測區的地形變化比較明顯時，技術人員就應該根據不同區域特征，對無人機的高度、飛行航線分別進行設定。③注意控制影響重疊度。

3.3 數據的綜合處理

數據處理是測繪工作想要獲得精準數據的必要手段。具體操作方式如下：①對無人機傳輸的圖片數據進行初步分析，選出合適的控點照片以后將其進行分組，每個組次留六張照片，盡量將照片保留在建模照片當中。②采用軟件對照片本身進行處理，即先選出精度較高的照片，再對像控點數據的刺點進行處理。③對數據進行統一計算，具體方法可采用三解法、點云加密等。

3.4 地圖繪制

地圖繪制是無人機航測活動的最終流程。具體操作方法為：①技術人員對取得的所有數據進行計算，得出數字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）數據。②技術人員將數據輸入ArcGIS 軟件，并對數據中存在的樹木、河流等內容進行分層模型建設。③將軟件得出的建模結果與矢量化特征進行比較，最終得出準確的測繪地圖。

4 實例分析無人機航測在水利工程中的應用

4.1 測區概況

本次工程的種類屬于違法行為智能化監測系統，旨在保障某自然保護區水庫免受偷獵、電魚、惡意破壞公共財物等違法行為的困擾。該工程水庫控制約36 000 km2的流域，年平均發電量能夠達到6.23 億kW·h。從地形地貌角度來看，該水庫的地形起伏狀況明顯，其最高處海拔達到826 m，而最低處海拔僅14 m。

為了充分把握這36 000 km2的地形地貌以及空間特征，進而建設效率更高的檢測系統，相關工作人員利用無人機航測技術對其進行了大比例尺地形圖測繪，并將其作為水庫初步劃界的依據。

4.2 設備選擇與基本工作思路

為了滿足該地區大比例尺地形圖的測繪需求，本次測繪活動采用了大疆8 旋翼無人機飛行平臺對水庫進行拍攝。該設備具備以下兩點優勢：①機身體積小，設備靈活性強；②影像分辨率高，地面分辨率差異一般在0.05 m 的水平線以下，能夠滿足測量精確度要求。

為了適應該地區地形起伏狀況明顯、面積較大的特點，本文初步設計了以下工作思路：①該地區最高處海拔達到826 m，而最低處海拔僅14 m，為了解決這一地形差異問題，技術人員對水庫測繪場景進行了分離，將其區分為丘陵、平原兩種測繪場景進行測繪。其中，由于丘陵地區平均海拔相對較高，因此無人機航高設置也相應調高。②水庫整體面積大，為了應對航測活動的經費需求，本文僅對水庫區內部面積約為800 km2的區域進行航測。③本次航測正射影像的地理坐標系使用2000 國家大地坐標系，投影采用高斯-克呂格投影的3°分帶，數字高程模型選擇了1985 國家工程基準。

4.3 數據處理與水庫確界

在數據處理與水庫確界階段，本文進行了以下操作：①對內業數據，即無人機拍攝的高分辨率影像進行處理，通過拼接、融合等方式制作1:2000 的水庫正射影像圖和數字高程模型。②基于無人機數據構建的高分辨率數字高程模型可以得出最終確界的管理區與保護區范圍。

通過數據分析可知，此次無人機航測能夠滿足實際劃界需求，同時，最終劃定的管理區范圍邊長倍于最初的劃定預期，由此可見，最終確界的管理區在細節上明顯更強。通過與初始管理區進行對比，筆者發現，主干流域大多都被劃入了管理區范圍，在細節上更貼合流域邊界，能夠有效滿足后續的地形判斷與工程建設需求。

4.4 違法嫌疑區數據解析

本文對無人機測定的數據、影像進行了全面分析，利用全卷積網絡（fully convolutional network,FCN）中的FCNˉ16 模型實現了對示范區的影像分類。具體操作方式如下：①根據數據制作標簽，通過256×256 滑動窗口，以100 為步長進行裁剪，最終得到了7263 張樣本數據。②對這些樣本數據進行調整，操作方式為鏡像翻轉、90°、180°、270°旋轉，采取數據增強的方式擴大樣本數據的總量，該做法的目的在于降低訓練樣本對人工的依賴，通過這種方式，得到36 315 張樣本數據，其中，隨機抽取29 052張數據進行訓練，其余7263 張用于驗證數據的準確性。

將上述得出的訓練模型應用到分類中，就可以得到水庫示范區的分類圖，通過這種方式得到的地圖具備較強的精準性，能夠切實指導相關工程建設。根據數據內容，得出示范區的違法嫌疑區數量為26，其中，數量最多的是網箱養魚、開墾兩種違法行為，而北江沿岸位置存在11 處，其種類多為開墾，支流部分存在15 處，其種類多數為網箱養魚。由此可見，無人機航測技術在水利領域也能取得比較不錯的效果。

5 結語

縱觀全文，無人機航測技術在大比例尺地形圖測繪中的應用具有技術優勢，包括但不限于反應靈敏、時效性強、成本較低、適用性強。在水利工程領域中，利用無人機航測技術能夠有效反映測量所在地的外表形狀、地質特征，有利于水利工程設計、建設人員掌握全局的大部分空間關系。相關單位可以參考本文的研究內容，并充分結合自身在大比例尺地形圖測繪中的應用需求，在實踐中不斷總結經驗，只有這樣才能讓無人機技術更好地服務于各行各業，尤其是水利工程的測繪工作。