無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用探究

張家麟

摘要：無人機航測系統廣泛應用于各個領域，其優點較多，包括靈活機動、快速高效、準確精細等。在公路建設中，利用無人機對帶狀地形進行航測具有較大的發展前景，相關研究顯示，這一測量方法的誤差較小，測量結果準確性較高，對于地形圖繪制、公路設計起到了輔助作用。本文對無人機航測系統進行了概述，提出了其在公路帶狀地形測量中的應用策略。

關鍵詞：無人機航測系統；公路帶狀地形；測量

公路的帶狀地形測量多由全站儀測量法、GNSS PTK測量法、傳統航空測量法來實現。前兩種測量方法需要的人力資源較大，不適用于地形破碎、建筑密集的地點；后一種測量方法盡管較為成熟，但成本較高，影響因素較多，諸如天氣條件等，其攝影需要較長周期。隨著無人機技術的發展，航測系統逐漸發展為結構簡單、使用便利、節約成本的新型地形測量方法。在實際應用中，無人機感測系統的應用取得了理想的效果。

一、無人機航測系統的概述

（一）系統組成

利用計算機技術，操作人員可以對無人機進行遠程控制，無人機配有攝像功能，能夠獲取低空照片，且分辨率極高，通過信息化處理，這些圖像能夠轉化為精度較高的地圖。無人機航測系統的功能眾多，包括高空拍攝、遙控及遙測、視頻影像微波傳輸、影像信息處理計數等，是綜合性的測量技術[1]。無人機航測系統的組成部分包括地面保障設備、地面監控系統、任務設備、飛控系統、飛行平臺、數據處理系統。應用廣泛的低空攝影測量技術系統則主要包括地面控制系統、空中攝影系統、數據處理系統三個主要構成部分。

（二）工作流程

規劃測量區域的航線——控制無人機沿航線飛行并進行拍攝作業——存儲拍攝數據——與地面控制系統進行數據交換并進行信息處理——無人機結束飛行任務并按計劃降落——根據數據資料明確補拍是否需要進行——無人機低空攝影測量任務完成。

二、無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用策略

（一）準備階段

1.選擇機型。測繪人員需對項目的具體需求進行確認，明確測繪目標后，根據實際需要選擇合適的低空攝影設備，確定無人機型號[2]。一般來說，一般的地形測量會利用固定翼無人機，而小面積測繪、需傾斜攝影的測繪項目則可能會用到多旋翼無人機。

2.搜集地形資料。

測繪人員需要對公路周圍的地形地貌進行勘察，根據公路的全長，確定無人機作業范圍。同時，要調查該區域的海拔、天氣等基本信息，考察是否存在隱蔽地形，分析地物覆蓋情況，根據植被密度評價其視覺通透性[3]。根據實地勘測信息，完善項目的整體測繪資料，制定無人機飛行的起點和航線。

3.設備檢查。為了提高無人航測的有效性，需對其進行反復檢測，對無人機的各部分零件進行核查，定期維護，確保設備無故障再開始航拍工作，避免拍攝無效帶來的人力和物力損失。

（二）戶外作業階段

1.控制測量。使用全站儀配合以GPS技術對路線進行控制測量，在道路兩旁或設計中線附近設置GPS控制點，在高等點之間逐級設置加密一級導線點。設置四等電磁波導線測量高程，或使用水準儀進行光學水準測量。

2.航空攝影。無人機的飛行路線以設計公路走向為依據，根據項目量選擇飛行架次，根據測量路線的寬度，設置每架無人機的飛行航線數量。確定無人機的飛行平臺（如ZC-Ⅱ）、飛行系統（如YS09）、相機型號（如EOS 5D MarkⅡ型單反相機）、航拍時間、圖像分辨率等[4]。

3.圖片控制點的布設。其一，要設計相應的照片控制點標志，例如在方形噴繪紙上設計黑、白兩色相間的圓形圖案[5]。其二，由于公路項目的途徑區域多存在較為密集的植被，可能影響拍攝精度，因而在測量前，需要人工安置測量控制點，該控制點處于公路中線位置，要確保無人機所拍攝的照片中，該標志能夠被看清。控制點的拍攝要全面，包括起點、無人機交叉點、終點。其三，對相片控制點進行測量，集合全站儀測導線測量、GNSS PTK測量、GNSS靜態測量等方法，提高測量效率，保證控制點的精確度。

4.空中三角測量。普通數碼相機的成像效果較差，與專業的測量相機相比存在一定差距，會導致測量數據的精確度不高。且無人機在航測過程中容易受環境干擾，環境因素不利時，拍攝質量也會下降。因而，光束法區域網空中三角測量成為了處理無人機影像的關鍵方法[6]。無人機的像控條件很多變，拍攝結果并不規范，處理誤差的方法也較為復雜，這一測量方法與這些特點恰好契合，能夠將照片構成的光束作為平差單元，將中心投影的共線方程設置為平差基礎方程，通過空間中光線的旋轉與平移，實現模型的光線交匯效果，將區域最佳地點納入控制點的坐標系統中，通過自動補償的方式解決系統誤差影響平差結果的問題。空中三角測量主要有三道程序，首先是數據準備，其次是自動轉點，最后是空中三角測量加密。

（三）數據處理階段

數據處理階段主要包括兩項主要工作，其一：通過信息技術手段對數據進行處理，生成數字正射影像數據集（DOM）和數字高程模型（DEM）；其二：對DEM和DOM的輸出成果進行檢測，保證模型數據結果的質量，提高其真實性與有效性，完成數字規劃地圖（DLG）的制作。這一過程可細分為數據采集和數據編輯兩個環節。

1.數據采集：通過立體顯示設備，或裸眼3D技術，工作人員可以觀看立體影像，完成一手地圖的制作。數據采集要求較高的精度標準，要將所有的可見物均呈現出來，畫出包括居民區在內的所有區域的等高線，全面采集成圖區域的高程點。在全數字立體模型和三角加密結果的基礎上，可以對采集不同底物的高程點位置。全數字攝影測量工作站以對地形數據進行的采集，測繪人員可在實地進行對照性測量，分析并比較兩種結果，統計誤差[7]。若地面覆蓋物的形態良好，則立體模型采集點、空三加密控制點之間具有較為一致的精度，證明此觀測項目的誤差不大，可以將之設置為獨立檢查點。空中三角測量、影響預處理等步驟將校正構像畸變納入了考慮范圍之中，但普通攝影機的精度不高，難以實現預期效果，會引發航線增多、人員任務重等問題，需要利用多拼相機加以完善。

2.數據編輯：采集人員將一手地圖制成后，編輯人員需要對其進行修整，使地圖更具有規范性與精準性，更加滿足公路項目建設的需要。數據編輯工作包括加文字注記、刪減高程注記點、拼接地圖、加圖幅圖框、修剪等高線等。無人機航測具有偶發事件，即難以一次成像。圖像不清晰，會導致信息采集的模糊、缺失、失真。此時，編輯人員需要對問題圖像及你下個標注，制作半成品圖，將結果反饋給外業人員。外業人員需根據實際需要進行補測，對圖像質量較差的區域進行重復測量，根據補測結果完善成圖。編輯工作難度大、任務重，且缺乏高素質的專業人才[8]。隨著科技的發展，計算機軟件可以實現等高線的自動生成，曲線編輯也可通過人機交互來完成，對這一現狀有所幫助，同時，數據編輯的效率和精度也相應提高。

結束語

無人機航測系統的誕生及應用，將大量的人力從繁重的測量作業中脫離出來，將測量效率提高了十倍以上。這一測量技術逐漸取代傳統的地形測量方式，既有成本低，又便捷高效，在公路帶狀地形的測量中具有較高的應用價值。隨著設備的不斷完善，地理信息數據采集等技術的提高，無人機航測系統將更加穩定、安全，其發展潛力較大，發展前景十分可觀。

參考文獻

[1]周進省， 趙曉米. 基于無人機航測系統的大比例尺公路帶狀地形圖測繪[J]. 資源導刊， 2016（12）：51-54.

[2]王斌， 王軍倉， 段千紅，等. 構架航線在公路帶狀地形圖測量中的應用[J]. 測繪技術裝備， 2017（4）：81-82.

[2]張瑞紅. 淺談無人機低空攝影在渦河河道帶狀地形測量中的應用[J]. 河南科技， 2017（13）：92-94.

[4]王剛. 無人機在帶狀地形監測方法中的應用研究[J]. 中小企業管理與科技（下旬刊）， 2016（8）：190-191.

[5]陳沖， 周進省， 尤艷紅. 積云-號無人機航測系統在水利測量中的應用[J]. 資源導刊， 2017（20）：40-41.

[6]周治伍， 李萍， 王穎. 低空無人機航測在大比例尺地形測繪中的應用[J]. 工程技術：引文版， 2016（8）：00298-00298.

[7]張久龍， 李淑梅， 張利群，等. 無人機航測系統在農村1∶500地籍測圖中的應用探討[J]. 測繪地理信息， 2017（1）：69-72.

[8]廉琦. AGS200系統輔助無人機航測技術在地災項目中的測試及分析[J]. 測繪技術裝備， 2017， 19（2）：15-18.