基于無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)的快速測繪探究

摘 要：無人機是科學(xué)技術(shù)進步的產(chǎn)物，在運輸、航拍、救援、測繪等方面具有較高的應(yīng)用價值。本文以無人機的測繪功能為核心，首先分析了數(shù)字航攝技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢和技術(shù)要點，然后闡述了快速測繪的具體應(yīng)用，最后結(jié)合工程案例進行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：無人機；數(shù)字航攝技術(shù)；快速測繪；技術(shù)要點

中圖分類號：P231.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0055-02

Abstract：UAV is the product of scientific and technological progress，and has high application value in transportation，aerial photography，rescue，surveying and mapping. This paper takes the mapping function of unmanned aerial vehicle as the core，first analyzes the application advantages and technical points of digital aerial photography，and then expounds the specific application of rapid surveying and mapping，and finally analyses it with engineering cases for reference.

Keywords：UAV；digital aerial photography；rapid mapping；key points of technology

0 引 言

無人機即UVA，以無人駕駛的飛行器作為平臺，搭載數(shù)碼相機、攝錄機等遙感設(shè)備，實現(xiàn)拍攝和記錄；然后利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對地理信息進行調(diào)查、監(jiān)測、評估，具有自動化、智能化的特點，最終實現(xiàn)測繪數(shù)據(jù)的建模、處理和應(yīng)用。以下結(jié)合工作實踐，探討了快速測繪技術(shù)的應(yīng)用。

1 無人機數(shù)字航攝技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢和技術(shù)要點

1.1 應(yīng)用優(yōu)勢

無人機數(shù)字航攝技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢如下：（1）操作方便。無人機的響應(yīng)速度快、準(zhǔn)備時間短，起飛時基本不受場地限制；機身搭載的遙感設(shè)備，能及時獲取影像數(shù)據(jù)，不存在延時效應(yīng)。（2）成本低廉。在測繪工作中，無人機體積小、耗費少，運輸和使用成本低，系統(tǒng)維修保養(yǎng)簡單，不需要專用的停放場地。（3）性能優(yōu)異。無人機在作業(yè)期間，航線易于控制，飛行穩(wěn)定性高，獲取的圖像清晰、分辨率高，能滿足較高的成圖要求。（4）結(jié)果準(zhǔn)確。和全野外測量相比，無人機測繪能減少工作量，提高成圖效率[1]。以土地規(guī)劃為例，既能查看不同土地的使用情況，又能計算坡度、土石方等指標(biāo)。

1.2 技術(shù)要點

第一，合理選型。在我國，以飛象、華鷹、QuickEye為代表，已有多家企業(yè)成功研制出無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)。在實際作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)地形地貌、飛行高度等要求，合理選擇無人機型號。在平原或城鎮(zhèn)區(qū)域，可以選擇飛行高度低、空速較小的型號，用于土地監(jiān)測、水利監(jiān)測、污染源監(jiān)測等；在地形復(fù)雜的山區(qū)，則要選擇飛行高度高、空速較大的型號，以適應(yīng)惡劣的作業(yè)環(huán)境。

第二，設(shè)置分辨率。傳感器是數(shù)字航攝系統(tǒng)的關(guān)鍵，目前傳感器元件分為兩種：一是電荷耦合元件CCD，優(yōu)勢是成像質(zhì)量高，缺點是生產(chǎn)制造復(fù)雜、成本較高；二是互補金屬氧化物導(dǎo)體元件CMOS，優(yōu)點是成本低廉，缺點是成像質(zhì)量較差[2]。在實際測繪工作中，應(yīng)該合理設(shè)置分辨率，通過改變航拍高度獲得最佳成像。如表1所示，總結(jié)了比例尺、航高、精度三者的關(guān)系。

第三，影像處理。獲取測繪數(shù)據(jù)后，首先按一定比例抽取，檢測平面和高程精度，確保地形圖的精度滿足要求。在后期處理上，專用軟件如DPGrid低空航測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，生成數(shù)字正射影像[3]?？紤]到數(shù)碼相機并非專業(yè)相機，測繪圖像可能出現(xiàn)光學(xué)畸變誤差，對此應(yīng)該修正像點坐標(biāo)，生成數(shù)字地面模型DEM；然后加入像控點，制作出正射影影像圖DOM。

第四，地面控制。地面控制軟件的應(yīng)用，能規(guī)劃無人機的飛行航線，記錄飛行航跡、電子地圖、飛行參數(shù)等。作業(yè)期間，工作人員可以接收飛行參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，在地面計算機上控制無人機的飛行狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

2 無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)快速測繪的應(yīng)用

2.1 國土資源

在執(zhí)法監(jiān)測上，利用無人機快速測繪技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)國土資源違法行為，通過建立動態(tài)巡查監(jiān)管機制，能對違規(guī)用地、違法用地、破壞環(huán)境等行為早發(fā)現(xiàn)、早治理。結(jié)合以往實踐經(jīng)驗，無人機快速測繪不僅成本低，而且便捷性、機動性高，在土地使用、礦產(chǎn)資源監(jiān)測中具有較高優(yōu)勢。在國土測繪上，無人機快速測繪可以用在大比例尺土地利用圖、地形圖上，能獲得監(jiān)測和補漏數(shù)據(jù)。快速測繪的影像清晰，能實現(xiàn)自動化的空三解算，其精度滿足1：2000的航測成圖要求[4]。

2.2 自然災(zāi)害

我國自然災(zāi)害具有類型多、頻次高的特點，無人機快速測繪技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)災(zāi)害的全程監(jiān)控：一是災(zāi)前預(yù)警防范，二是災(zāi)中監(jiān)測分析，三是災(zāi)后救援評估。以汶川大地震為例，利用無人機快速測繪技術(shù)，獲取3.5萬幅航空影像圖，為救災(zāi)應(yīng)急工作的開展提供了技術(shù)支撐。

2.3 水利工程

經(jīng)濟社會穩(wěn)健發(fā)展的背景下，以水利水電為代表的基礎(chǔ)設(shè)施工程不斷增加，利用無人機快速測繪技術(shù)，能提供選址服務(wù)，監(jiān)測施工進程?？紤]到水利工程的環(huán)境復(fù)雜，多位于險峻的河道上，利用無人機能取代人為作業(yè)，獲得大比例尺地形圖，提高測繪作業(yè)的安全性和經(jīng)濟性。

2.4 城鎮(zhèn)規(guī)劃

新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)規(guī)劃工作中，依然有大量的城鎮(zhèn)缺少高精度的信息源，以分散、面積小、邊遠地區(qū)的城鎮(zhèn)為例，常規(guī)攝影作業(yè)的難度大、耗費高[5]。利用無人機快速測繪技術(shù)，能為不同比例尺的規(guī)劃制圖提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，降低測量測繪作業(yè)難度，促進城鎮(zhèn)規(guī)劃工作有序開展。

3 案例分析

3.1 工程概況

以某測繪項目為例，位于我國山西陽泉，為了滿足旅游規(guī)劃的需要，要對沿線重點村鎮(zhèn)的1：1000地形圖、1：5000地形圖進行測量。測區(qū)總面積約32km2，利用無人機采集地形數(shù)據(jù)、生成成圖，服務(wù)于村鎮(zhèn)規(guī)劃管理工作。

3.2 測繪方法

測繪工作流程如下：測區(qū)踏勘→設(shè)計航線→航空攝影→像控布設(shè)→區(qū)域加密→內(nèi)業(yè)采集測圖→外業(yè)補測→計算機成圖→數(shù)據(jù)檢查→提交成果。其中，測繪工作的技術(shù)要點如下：

第一，設(shè)計航線。無人機在山區(qū)飛行時，應(yīng)避開山頭，保持安全航高?？梢岳?：10000地形圖判斷精確航高，將飛行高度控制在安全區(qū)域內(nèi)。在測區(qū)劃分上，山谷精度要求高、山頭精度要求低，應(yīng)該分開劃分測區(qū)，分析地形走勢，避免氣流突變。

第二，像控布設(shè)。結(jié)合工程施工質(zhì)量和進度要求，本次無人機快速測繪在像控布設(shè)上，采用正方向網(wǎng)格狀，邊長為400m，角點處即像控點的采集區(qū)域；在測區(qū)外圍凹凸不平的地方，還要適當(dāng)增加像控點。

第三，空三解算。無人機獲取的圖幅小，容易產(chǎn)生影像畸變，偏角、滾角較大。對此，應(yīng)利用DPGrid軟件進行空三加密、平差解算，可以建成精度高、強度高的模型連接點，以滿足大比例尺測圖要求。

第四，立體測圖。無人機快速測繪得到的圖像姿態(tài)差，可利用攝影測量軟件進行立體預(yù)判，自動切換立體模型，避免人工調(diào)整模型，適合在無人機測繪中使用。值得注意的是，小型無人機的分辨率遠低于DMC，因此立體判讀難度大，尤其是電桿等桿狀地物，應(yīng)仔細進行判讀。

第五，數(shù)據(jù)檢查。在所有數(shù)據(jù)成果中，按照10%的比例抽選檢查，包括高程精度、平面精度、間距中誤差等。結(jié)果顯示1：1000和1：5000地形圖的數(shù)學(xué)精度、地理精度均符合規(guī)范要求，且圖像內(nèi)容清晰，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

綜上所述，無人機數(shù)字航攝技術(shù)具有操作方便、成本低廉、性能優(yōu)異、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢，主要用于國土資源、自然災(zāi)害、水利工程、城鎮(zhèn)規(guī)劃等領(lǐng)域。在快速測繪作業(yè)中，技術(shù)要點包括合理選型、設(shè)置分辨率、影像處理、地面控制等，希望為類似測繪作業(yè)的開展提供經(jīng)驗借鑒，推動無人機技術(shù)進一步發(fā)展。

參考文獻：

[1] 陳姣，米鴻燕，李超，等.無人機遙感系統(tǒng)應(yīng)用與影像有效利用的探討 [J].價值工程，2013，32（5）：181-183.

[2] 任志武.基于無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)的快速測繪 [J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（16）.

[3] 王太坤.無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)的快速測繪與應(yīng)用 [J].資源導(dǎo)刊（地球科技版），2012（5）：54-55.

[4] 李文君.無人機在大比例尺測圖中的應(yīng)用淺析 [J].大科技，2015（29）：213-214.

[5] 謝海波.淺析無人機航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖應(yīng)用及常見問題處理 [J].低碳世界，2016（7）：44-45.

作者簡介：李丹丹（1974.12-），男，漢族，山西洪洞人，數(shù)字產(chǎn)品部部長，工程師。研究方向：測繪內(nèi)業(yè)成圖、正射影像、無人機航測。