無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在城市測(cè)繪保障中的應(yīng)用前景探究

［關(guān)鍵詞］無(wú)人機(jī)；低空攝影測(cè)量；城市測(cè)繪

從現(xiàn)代航空器的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，體積較小、飛行距離較遠(yuǎn)的飛行裝置以一種嶄新面貌走進(jìn)市場(chǎng)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，提高了工作效率，尤其在民用領(lǐng)域起到的積極作用十分顯著。在城市測(cè)繪方面，由于城市面積較大，若不采取科學(xué)方式，很容易造成遺漏，影響測(cè)繪質(zhì)量。而無(wú)人機(jī)裝置能夠有效解決地質(zhì)勘探、城市測(cè)繪以及農(nóng)業(yè)保障等方面問(wèn)題，即使面對(duì)林立的高樓也能夠準(zhǔn)確測(cè)量。

1. 無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)在開(kāi)展低空攝影測(cè)量過(guò)程中，通常以捕獲高分辨率的數(shù)字圖像為執(zhí)行目標(biāo)，無(wú)人機(jī)作為小型的飛行平臺(tái)，內(nèi)部設(shè)置了高分辨率的數(shù)碼相機(jī)作為感測(cè)系統(tǒng)，并充分結(jié)合GPS、RS、GIS三種技術(shù)，獲得了具有大尺度、高色彩等突出特點(diǎn)的航空遙感數(shù)據(jù)。由于無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)能夠以非常快速且準(zhǔn)確的方式獲取地理數(shù)據(jù)、信息，所以無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣泛。該技術(shù)能夠依據(jù)地域信息進(jìn)行測(cè)繪，正射影像能夠?yàn)橹谱鞯匚锬Ｐ吞峁﹨⒖迹蟠筇岣吡斯ぷ餍省o(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用受天氣影響較小，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)確保測(cè)繪信息的完整性，同時(shí)，在體積、質(zhì)量都相對(duì)較小的前提下，該裝置的機(jī)動(dòng)性和靈活性非常強(qiáng)，一定程度上避免了障礙物造成的移動(dòng)影響。

無(wú)人機(jī)若從任務(wù)高度劃分，可以分為低空、超低空、中空、高空以及超高空無(wú)人機(jī)。基于此，針對(duì)城市測(cè)繪，低空無(wú)人機(jī)具有更好的適應(yīng)性和應(yīng)用前景。

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)突破了對(duì)復(fù)雜的城市環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪的工作瓶頸，在人員安全性方面有著較高保障，投入成本也能控制在較低范圍內(nèi)，而衛(wèi)星測(cè)繪成本相對(duì)要高。從2019年地理信息論壇數(shù)據(jù)中可以看出，全世界開(kāi)展無(wú)人機(jī)測(cè)繪國(guó)家在40個(gè)以上，較為發(fā)達(dá)的國(guó)家掌握的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)類型十分豐富，為100種以上。無(wú)人機(jī)能夠與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)融合，將測(cè)繪形式創(chuàng)新，促使測(cè)繪結(jié)果精確的同時(shí)，也能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的地理環(huán)境，在全球范圍內(nèi)逐步形成測(cè)繪保障的關(guān)鍵形式之一。

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行低空飛行過(guò)程中，飛行高度要控制在50～1000 m之間，確保飛行高度的合理性，避免導(dǎo)航出現(xiàn)運(yùn)作問(wèn)題造成測(cè)繪數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。一般來(lái)看，對(duì)于近程的航空攝影測(cè)量技術(shù)而言，攝影精度能夠達(dá)到亞米級(jí)，整體的測(cè)量精度范圍也能控制在0.1～0.5 m 之間，完全符合1∶1000的成圖需求，在有關(guān)城市建設(shè)的測(cè)繪準(zhǔn)確率方面也能夠達(dá)到較高水平[1]。

2 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的主要特點(diǎn)分析

2.1 高分辨率

從當(dāng)前無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)看，普遍飛行高度能夠控制在50～1000 m之間，這種飛行高度能夠拍攝實(shí)物進(jìn)行更為精確的畫面捕捉，將拍攝分辨率提高，無(wú)人機(jī)的近景拍攝分辨率控制在0.1～0.5 m之間，符合城市測(cè)繪對(duì)分辨率的需求。無(wú)人機(jī)測(cè)繪流程如圖1所示。

2.2 低成本

若將測(cè)繪精度進(jìn)行同步控制，那么無(wú)人機(jī)的測(cè)繪成本要比衛(wèi)星測(cè)繪等方式低很多，可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.2.1.飛行成本

無(wú)人機(jī)的飛行成本是衛(wèi)星遙感成本的1/300，同時(shí)是普通航拍成本的1/25左右。

2.2.2.維修成本

無(wú)人機(jī)內(nèi)設(shè)置的測(cè)量系統(tǒng)的維修與保養(yǎng)成本遠(yuǎn)比衛(wèi)星測(cè)繪以及航拍飛機(jī)低廉，尤其在人力資源的投入方面，無(wú)人機(jī)維修較為簡(jiǎn)便。

2.2.3.專業(yè)人員培訓(xùn)成本

航拍飛機(jī)的專業(yè)人員培訓(xùn)成本較大，并且飛機(jī)運(yùn)行成本比較大，相比較而言，無(wú)人機(jī)的遙控操作在學(xué)習(xí)難度方面較小，整體的培訓(xùn)難度相對(duì)較小，節(jié)省培訓(xùn)成本。

2.3 測(cè)繪效率明顯提高

與衛(wèi)星遙感測(cè)繪技術(shù)和航拍技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)在不同地理環(huán)境的適應(yīng)程度較高。一般來(lái)看，不論是衛(wèi)星測(cè)繪還是中低軌道衛(wèi)星測(cè)繪或飛機(jī)航拍技術(shù)都會(huì)受到云層的影響，一旦云層較厚，則無(wú)法繼續(xù)測(cè)繪，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量不會(huì)受到云層的影響，大大提高了測(cè)繪效率。

2.4 測(cè)繪周期較短

由于中低軌道衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)在過(guò)頂時(shí)間方面有間隔需求，并且會(huì)受到起飛位置與空中管制等方面的影響，拍攝無(wú)法持續(xù)。而無(wú)人機(jī)在保證電量充足的情況下，能夠24 h持續(xù)穩(wěn)定測(cè)繪，同時(shí)，能夠設(shè)置多架次無(wú)人機(jī)或開(kāi)展多批次聯(lián)合測(cè)繪，在傳輸信息的過(guò)程中充分利用共享技術(shù)和拼接技術(shù)，將無(wú)人機(jī)測(cè)繪的區(qū)域地理信息精準(zhǔn)度提高，同時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，無(wú)人機(jī)的測(cè)繪面積占據(jù)非常大的優(yōu)勢(shì)。

2.5 操作安全性較高

無(wú)人機(jī)的主要操作方式為遠(yuǎn)距離人工遙控，產(chǎn)生的危險(xiǎn)非常低，并且不會(huì)受到測(cè)繪區(qū)域的環(huán)境困擾。從無(wú)人機(jī)的研發(fā)情況來(lái)看，當(dāng)前較為主流的無(wú)人機(jī)通常具有全向穩(wěn)定的特點(diǎn)，并能夠?qū)德潼c(diǎn)進(jìn)行提前設(shè)置，當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)該區(qū)域后可以進(jìn)行自動(dòng)降落，同時(shí)，無(wú)人機(jī)在操作期間若出現(xiàn)斷電情況也能夠觸發(fā)回位功能，使得該裝置可以適應(yīng)更加多樣的環(huán)境。即使在惡劣天氣下，也能夠正常執(zhí)行任務(wù)，保證攝影測(cè)繪質(zhì)量。若無(wú)人機(jī)裝置受到障礙物影響發(fā)生斷電，無(wú)人機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)能夠觸發(fā)降落點(diǎn)的感應(yīng)系統(tǒng)，返回起飛位置，既保證了測(cè)繪區(qū)域的安全，也能夠在最大程度上保護(hù)測(cè)繪數(shù)據(jù)遭受破壞，降低數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)。還有，由于無(wú)人機(jī)輕便，機(jī)動(dòng)性較高，面對(duì)城市內(nèi)部的障礙，例如輸電線路或立交橋等可以進(jìn)行及時(shí)躲避，并將測(cè)繪范圍擴(kuò)大，更加適應(yīng)位于山地、丘陵的城市[2]。

3. 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 圖像數(shù)據(jù)的處理

在無(wú)人機(jī)內(nèi)部，針對(duì)低空攝影功能增設(shè)了圖像處理數(shù)據(jù)流，這是為了促使測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性能夠達(dá)到城市測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)，所以，將該功能應(yīng)用在數(shù)字高程模型后，可以對(duì)其設(shè)置目標(biāo)并開(kāi)展規(guī)劃。無(wú)人機(jī)在飛行期間所獲數(shù)據(jù)需要進(jìn)行初步處理，也就是對(duì)圖像數(shù)據(jù)的靜態(tài)化處理，會(huì)將原有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DEM/DOM信號(hào)，只有經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)信息才能傳輸至控制器。然后，通過(guò)低空遙感平臺(tái)中的數(shù)據(jù)采集功能，下載GPS/POS數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，最后通過(guò)GPS/POS系統(tǒng)得到具有高度精確性的圖像。在稠密匹配技術(shù)的輔助應(yīng)用下生成DLG圖像。為有效解決攝影與數(shù)據(jù)處理的聯(lián)合工作問(wèn)題，技術(shù)人員可以通過(guò)平差法予以處理，該方法需建立在數(shù)據(jù)處理中心的計(jì)算基礎(chǔ)上，將各類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性予以提高后，通過(guò)濾波將冗余的數(shù)據(jù)點(diǎn)濾除，避免造成計(jì)算結(jié)果誤差較大。圖像處理流程如圖2所示。

在進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，關(guān)鍵任務(wù)在于進(jìn)行靜態(tài)處理并生成。通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理，可以得到精確的成圖數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的有效應(yīng)用十分關(guān)鍵，在部分無(wú)人居住的區(qū)域，通常會(huì)在圖像處理期間出現(xiàn)圖像重疊、照片數(shù)量較多、角度方向不一致等方面的問(wèn)題，使得圖像在匹配過(guò)程中無(wú)法自動(dòng)連接。隨著當(dāng)前圖像匹配技術(shù)的完善，原有的匹配方式逐步成熟，針對(duì)無(wú)人區(qū)的低空?qǐng)D像測(cè)量，關(guān)于圖像數(shù)據(jù)的處理技術(shù)類型十分豐富，大大提高了圖像匹配準(zhǔn)確度，也對(duì)測(cè)繪工作起到促進(jìn)作用。

3.2 區(qū)域測(cè)繪

在對(duì)城市信息數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量期間，無(wú)人機(jī)裝置能夠根據(jù)城市地理信息情況生成3D模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的立體化接受，確保地理數(shù)據(jù)或信息的來(lái)源準(zhǔn)確。例如，山體高度的測(cè)量工作中，無(wú)人機(jī)能夠通過(guò)技術(shù)應(yīng)用提高測(cè)量精確度，并減少測(cè)量環(huán)境影響[3]。

3.3 應(yīng)急監(jiān)測(cè)

在無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)期間，由于該技術(shù)的高效性、安全性等特點(diǎn)十分明顯，我國(guó)對(duì)于此類技術(shù)的重視程度較高，并在部分工程中加大了應(yīng)用效率，該技術(shù)對(duì)土木工程和防洪工程能夠帶來(lái)積極作用，尤其對(duì)水位的監(jiān)控，具有高度實(shí)時(shí)性，技術(shù)人員可以對(duì)上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，單位時(shí)間內(nèi)測(cè)出數(shù)據(jù)后第一時(shí)間傳輸，為防洪做好準(zhǔn)備。尤其在應(yīng)急定位方面功能非常強(qiáng)大，在確保定位的精準(zhǔn)性后，可以大大提高應(yīng)急效率。除此之外，無(wú)人機(jī)還能夠?qū)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，促使各類數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)傳輸至開(kāi)發(fā)中心，研發(fā)人員能夠制定處理方案，減少傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需要的時(shí)間。

3.4 智慧城市

從當(dāng)前情況來(lái)看，智慧城市作為新型的城市發(fā)展概念，利用了信息技術(shù)將城市現(xiàn)代化程度大大提高，GIS系統(tǒng)起到的作用十分關(guān)鍵，它是促使城市空間管理系統(tǒng)建成的信息基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，智慧城市在建設(shè)期間對(duì)地理信息的獲取難以達(dá)到全面性，而無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)繪技術(shù)能夠解決該問(wèn)題。

3.4.1.構(gòu)建三維模型

首先，地理信息的三維模型的建立，是實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，三維模型的建立能夠以一種立體的空間模式對(duì)建筑物進(jìn)行深入描繪，而其他測(cè)繪方式在立體性方面稍顯不足，衛(wèi)星測(cè)繪方式是自上而下，測(cè)繪完成后的圖像也只能通過(guò)二維投影或側(cè)視投影進(jìn)行呈現(xiàn)，而人工測(cè)量期間，觀察角度會(huì)出現(xiàn)變化，無(wú)法保持穩(wěn)定。對(duì)此問(wèn)題，無(wú)人機(jī)能夠從最少三個(gè)角度實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建，為智慧城市發(fā)展提供技術(shù)保障。

3.4.2.圖像處理

由于無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)繪在圖像處理的原理方面更加接近鳥瞰視角，產(chǎn)生的地理數(shù)據(jù)、信息無(wú)須通過(guò)復(fù)雜計(jì)算，便可直接進(jìn)入智慧城市的建設(shè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。無(wú)人機(jī)拍攝的視頻也可以直接用于智慧城市建設(shè)，提高了圖像應(yīng)用效率，也減少了衛(wèi)星測(cè)繪環(huán)節(jié)帶來(lái)的非必要整合，人工低效性也能夠得到有效緩解[4]。

3.5 城市數(shù)據(jù)的精確度

在城市測(cè)繪保障工作中，對(duì)于城市地理信息數(shù)據(jù)的精確度要求非常高，尤其在大范圍測(cè)繪環(huán)節(jié)，銜接位置的精準(zhǔn)度必須達(dá)到要求，所以，在完成測(cè)繪工作后的第一時(shí)間，須對(duì)測(cè)繪點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)度的檢驗(yàn)，避免因精準(zhǔn)度較低而造成不利影響。在檢驗(yàn)期間，無(wú)人機(jī)應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用。

首先，無(wú)人機(jī)能夠在同一地理區(qū)域、以多樣的測(cè)繪方式對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行重復(fù)檢驗(yàn)，主要有DOM正射影像圖的生成法，以及通過(guò)對(duì)DLG數(shù)字規(guī)劃圖的成像精度進(jìn)行核對(duì)，通過(guò)CNSS設(shè)備與CORS定位系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，將公共數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)比測(cè)繪結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，若二者差值能夠控制在合理范圍內(nèi)，則代表測(cè)繪結(jié)果的精準(zhǔn)度達(dá)標(biāo)。

3.6 航測(cè)三角技術(shù)

在航測(cè)三角技術(shù)中，充分結(jié)合數(shù)碼信息技術(shù)，將制圖、產(chǎn)品分析以及內(nèi)業(yè)作業(yè)等有效融合，并將數(shù)據(jù)予以二次加密，保障測(cè)量數(shù)據(jù)的安全。在對(duì)照片進(jìn)行分析過(guò)程中，航測(cè)三角技術(shù)能夠促使測(cè)量模式優(yōu)化，無(wú)人機(jī)幾何反演技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的處理，并進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.7 有序化測(cè)繪技術(shù)

當(dāng)前無(wú)人機(jī)裝置，不僅能夠?qū)z影技術(shù)和遙控技術(shù)相結(jié)合，還有著非常特殊的導(dǎo)航系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分割。若可以達(dá)到條件，便可將拍攝時(shí)間提前設(shè)置，促使航行期間的攝影定位更加準(zhǔn)確。為達(dá)到高精確度的測(cè)量目的，不僅需要對(duì)控制點(diǎn)的位置予以明確，還需在彎道附近增設(shè)控制點(diǎn)，并添加更為清晰的參照物[5]。

總的來(lái)看，在我國(guó)無(wú)人機(jī)航空裝置不斷發(fā)展過(guò)程中，針對(duì)城市測(cè)繪保障，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用起到了非常關(guān)鍵的作用。相比衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與飛機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)，無(wú)人機(jī)具有低成本、高分辨率、高精準(zhǔn)度、高便捷性等方面的特點(diǎn)，適應(yīng)的地理環(huán)境更加多樣，受天氣因素的影響較低，測(cè)繪效率能夠得到保障，促使城市測(cè)繪質(zhì)量提高。