基于三維激光掃描技術的無人機測繪精度評估與優化

摘要：三維激光掃描技術作為一種新興的測繪技術，具有高精度、高效率、高自動化等優點，已經在許多領域得到了廣泛應用。然而，由于受到多種因素的影響，如無人機飛行穩定性、掃描儀精度、數據處理算法等，三維激光掃描技術的測繪精度仍存在一定的局限性。因此，對三維激光掃描技術的無人機測繪精度進行評估和優化具有重要意義。對基于三維激光掃描技術的無人機測繪精度進行評估和優化，旨在提高無人機測繪的精度和可靠性，為無人機測繪的應用提供有力支持。

關鍵詞：三維激光掃描技術；無人機測繪；精度評估與優化

一、前言

三維激光掃描技術作為一種新興的測繪技術，具有高精度、高效率、高自動化等優點，已經在許多領域得到了廣泛應用。然而，由于受到多種因素的影響，如無人機飛行穩定性、掃描儀精度、數據處理算法等，三維激光掃描技術的測繪精度仍存在一定的局限性。因此，對三維激光掃描技術的無人機測繪精度進行評估和優化具有重要意義。本文將對基于三維激光掃描技術的無人機測繪精度進行評估和優化，旨在提高無人機測繪的精度和可靠性，為無人機測繪的應用提供有力支持。

二、無人機測繪系統結構與組成

（一）航測無人機種類

1.固定翼

固定翼無人機是一種類似傳統飛機的飛行器，由機身、機翼、尾翼和動力裝置等組成。這種飛機的特點是在飛行中依靠機翼產生的升力來維持飛行，與此同時，尾部的尾翼控制著飛機的姿態和方向。動力裝置通常為發動機或電動機，提供飛機飛行所需的推進力。機身是飛機的主體結構，包括機艙、貨艙、燃油艙等部分，承載著飛機的載荷和各種設備[1]。

2.多旋翼

多旋翼無人機是一種通過多個旋翼提供升力和操控的無人機。與傳統的固定翼無人機相比，多旋翼無人機具有垂直起降和懸停能力，適合于需要低空飛行、精細觀測和攝影的任務。它們通常采用四個或更多個旋翼，通過旋翼的轉速和角度變化來實現飛行、懸停和方向控制。多旋翼無人機可以像直升機一樣垂直起降，并且具有良好的懸停穩定性，可以在空中停留并進行精細觀測和拍攝。多旋翼無人機在空中具有較高的靈活性和機動性，可以在復雜的環境中飛行，適合于城市、森林等密集區域的航測和監測任務[2]。

3.復合翼

復合翼無人機是一種結合了固定翼和多旋翼特點的無人機類型。它通常采用具有固定翼和可旋轉或折疊的旋翼的設計，從而在飛行中兼顧了固定翼無人機的高速飛行和長航程能力，以及多旋翼無人機的垂直起降和懸停能力。復合翼無人機采用固定翼設計，具有較高的飛行速度和長航程能力，適合于覆蓋大范圍的航測任務。復合翼無人機還具有多旋翼飛機的垂直起降和懸停能力，可以在需要時進行垂直起降和懸停，實現精細觀測和攝影。

（二）無人機飛控系統

無人機的飛控系統是控制和管理無人機飛行的關鍵組件，通常由硬件和軟件兩部分組成。傳感器系統負責感知無人機周圍的環境和飛行狀態，通常包括慣性測量單元（IMU），此單元包括加速度計和陀螺儀，用于測量飛行器的加速度、角速度和方向。全球定位系統（GPS）用于確定無人機的位置、速度和航向。氣壓計和高度計用于測量大氣壓力和高度，提供無人機的高度信息。飛控計算單元是無人機飛控系統的核心部件，負責接收傳感器數據、執行飛行控制算法，并輸出控制指令給飛行器的執行器（電機或舵機）。飛控計算單元通常包括處理器、內存和其他必要的硬件組件，以及運行飛行控制軟件的嵌入式系統[3]。

三、航測作業操作

（一）航測作業中的基本要求以及安全操作

基于三維激光掃描技術的無人機測繪是利用無人機搭載激光掃描儀器，對地面進行高精度、高分辨率的三維地形和地物數據采集的一種測繪方法。這種技術結合了激光掃描技術和無人機的優勢，激光掃描技術能夠實現毫米級的高精度測量，無人機搭載激光掃描儀器可以在地面、建筑物、植被等各種復雜環境下進行精確的三維數據采集。必須嚴格按照工作流程來對航空器或者飛手本人進行檢查[4]。

1.飛行器的選擇

固定翼飛行器適合長時間、大范圍的航測任務，通常具有較長的續航時間和高速巡航能力，能夠快速覆蓋大面積的地理區域。固定翼飛行器的優勢在于其高速巡航和長航時能力，能夠在較短的時間內完成大范圍的地理測繪任務。但固定翼飛行器需要較大的起降空間，通常需要專門的跑道或平坦的地面來進行起降操作。此外，固定翼飛行器的低空懸停能力較弱，對于小范圍、復雜地形的測繪任務可能不太適合[5]。

2.場地選擇

一般選擇場地應滿足下列要求：

①起飛降落區域空曠，目視無高大障礙物；

②遠離民航機場或者軍用機場；

③遠離人口密集區域；

④避免高壓電塔、雷達站、中繼站；

⑤若使用固定翼無人機，則需要起飛場地平坦，滿足相關性能指標。

（二）飛行前的準備

根據任務需求和測區環境，制定詳細的飛行計劃，包括飛行路徑、高度要求、飛行時間、任務區域等信息，如圖1所示。

（三）飛行器的操縱

根據飛手的操作習慣，控制方式分為日本手與美國手兩個流派，這里以日本手為準，見表1。

注意固定翼油門桿直接控制升降舵。

（四）相片特性

中心投影成像是一種影像處理技術，常用于地理信息系統（GIS）和地圖制圖領域。在中心投影成像中，地球表面的地理坐標被投影到一個平面上，形成一個二維圖像，以便更容易地進行分析、測量和可視化 。

（五）相片重疊度

航向重疊計算公式：P=（Px/Lx）×100%；

橫向重疊計算公式：Q=（Py/Ly）×100%。

四、實踐案例

（一）測區

1.測區信息

南寧中關村創新示范基地位于中國廣西壯族自治區南寧市，占地面積180畝，總建筑面積約8萬平方米。該基地由13棟具有歐洲建筑風格的樓宇組成，旨在落實黨中央關于創新驅動發展戰略以及廣西壯族自治區的“三大定位”要求，打造國家級創新示范基地的核心區。采用無人機進行測繪是一種高效的技術手段，特別適用于獲取較大面積的地面信息。提到的無人機和大疆M600六旋翼無人機掛載飛盟5鏡頭傾斜攝影攝像機。這種設備通常用于獲取高分辨率的地面圖像，評估基地周邊的自然環境和生態狀況，支持環境保護和可持續發展策略 。

2.測區輪廓與像控點布置與外擴

使用谷歌地球畫出測區的輪廓，并且選取合適地方布置像控點。

用KML文件格式保存輪廓和像控點數據是一個明智的選擇，因為KML文件格式在地理信息系統（GIS）領域被廣泛支持。使用Global Mapper生成外擴航線也是一個常見的操作，用于在地圖中顯示特定區域的邊界或輪廓，如圖2所示。

在Global Mapper中，使用合適的工具或命令生成外擴線，設置外擴距離為50米，如圖3所示。確保外擴線覆蓋了需要飛行的區域邊界。在Global Mapper中，將生成的外擴線數據輸出為KMZ格式文件。KMZ是KML文件的壓縮版本，包含了KML文件以及相關的資源文件，如圖像或其他數據。相關人員打開谷歌地球，并導入生成的KMZ文件，然后在谷歌地球中將其轉換為KML格式。這通常可以通過選擇將KMZ文件另存為KML文件來實現。

3.航線規劃

KML（Keyhole Markup Language）是一種用于描述地理空間信息的標記語言，通常用于Google Earth等地球信息系統中。導入KML文件后，無人機地面站軟件會根據這些信息規劃飛行路線和任務，如圖4所示。

（二）航測數據采集

1.像控點信息采集

將每個相機鏡頭拍攝的照片以及其對應的POS點進行整理。確保每張照片都有其對應的POS信息，如圖5所示。給每張照片和其對應的POS點重命名，最好采用有意義的命名規則，可以包含時間、相機編號等信息，以便后續的識別和管理。

2.航測相片采集

通過谷歌地球等工具，使用WGS84或CGCS2000等坐標系統。確保RTK設備獲取的坐標系統與使用者應用需求相匹配。通常情況下，WGS84和CGCS2000是常用的地理坐標系統，選擇其中一個與使用者項目需求相符。

（三）內業數據處理

1.空中三角測量

將照片以及照片對應POS數據重命名整理完畢后，可以開始進行建模測試。本次項目中采用ContextCapture軟件進行建模，通常建立傾斜模型首先要進行空三測試，若空三測試失敗就無法進行建模。

2.模型建立

空三測試成功后，即可建立模型。由于建立模型對于電腦硬件配備有著極高的要求，所以模型能否成功建立不單單是數據方面要無錯誤，運行的電腦配置也要達到要求，并且有足夠的運行空間給軟件建立緩存文件，如圖6所示。有些時候建立的模型會有一部分用不到的區域，這些區域沒有必要建立模型，盲目建立模型只會加大電腦的負擔，并且增加成圖工期，可以適當修改模型區塊，加快成圖速度，提高成圖效率。

五、結語

當下，無人機作為熱門使用工具在航測中得到了廣泛應用，相對于傳統的人工測量來說，有著明顯的優點。特別在一些偏遠的山區或者大面積的作業區，使用無人機進行作業可以大大減少作業人員的負擔。隨著時間的推移，無人機在航測這一行業的應用將會越來越廣，也許以后，無人機將會完全替代人工。這時，外出作業將會步入真正的“無人”時代。

參考文獻

[1]梁昭陽.基于無人機傾斜攝影和三維激光掃描技術結合的古建測繪應用研究[J].城市勘測，2023（06）：121-124.

[2]吳棟浩.基于無人機航測與三維激光掃描的工程地形測繪技術研究[J].貴州地質，2022，39（03）：300-304.

[3]閆魏力，張馳，王洛鋒.無人機載三維激光掃描技術在露天礦山測量中的應用[J].黃金，2022，43（08）：41-44.

[4]劉亞星.無人機載三維激光掃描技術在露天礦山測量中的應用[J].中國金屬通報，2023（08）：173-175.

[5]張津瑞.三維激光掃描與無人機攝影在異形建筑三維建模中的應用[J].現代信息科技，2023，7（19）：163-166.