無人機(jī)技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用

（廣東省技師學(xué)院，廣東 惠州 516100）

1 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)

1.1 無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)組成

無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件包括無人機(jī)飛行器、無人機(jī)動(dòng)力供給系統(tǒng)、電力能源調(diào)節(jié)裝置、無人機(jī)槳翼及高清攝像機(jī)等，軟件由無人機(jī)控制系統(tǒng)、飛行器操作、軟件系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、無線電遙控系統(tǒng)、圖像處理軟件等幾部分組成[1]。

無人機(jī)的材質(zhì)大多采用合金鋼、碳纖維、玻璃鋼等材料制成，在機(jī)身上安裝電池單元、任務(wù)輸入單元、降落傘艙，并在機(jī)身上配備高清攝像機(jī)。根據(jù)無人機(jī)槳翼的形式，無人機(jī)主要分為固定翼和四旋翼無人機(jī)。表1 為2 種不同槳翼形式的無人機(jī)及配置攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)。

表1 無人機(jī)及配置攝像機(jī)主要參數(shù)

1.2 無人機(jī)測(cè)繪工作原理

無人機(jī)的測(cè)繪系統(tǒng)主要包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開展測(cè)量工作前，需要根據(jù)不同的工況選擇合適的無人機(jī)，然后制定無人機(jī)航線，包括無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定控制、無人機(jī)飛行軌跡、無人機(jī)起降落位置、無人機(jī)任務(wù)管理控制等，保證航線不會(huì)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)潔的飛行航線，同時(shí)還應(yīng)確保人機(jī)安全，圖1 為無人機(jī)測(cè)繪工作原理圖。

圖1 無人機(jī)測(cè)繪工作原理圖

2 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 快速的響應(yīng)能力

采用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪工作時(shí)，通常無人機(jī)是低空飛行進(jìn)行測(cè)繪的，其具有對(duì)飛機(jī)起降落場(chǎng)地要求低、申請(qǐng)空域方便、起飛準(zhǔn)備時(shí)間短、受天氣影響因素小等特點(diǎn)，大大節(jié)省了測(cè)量時(shí)間。

此外無人機(jī)還裝配有車載系統(tǒng)，車載系統(tǒng)可根據(jù)輸入的任務(wù)對(duì)測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行獲取。當(dāng)發(fā)生突發(fā)自然災(zāi)害時(shí)，應(yīng)急部門需要根據(jù)地形數(shù)據(jù)信息制定應(yīng)急方案，采用無人機(jī)測(cè)繪工作，可以快速對(duì)災(zāi)區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并利用網(wǎng)絡(luò)將測(cè)繪數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞回應(yīng)急部門，應(yīng)急工作人員根據(jù)反饋的災(zāi)區(qū)地質(zhì)測(cè)繪信息制定相應(yīng)的應(yīng)急方案[2]。

2.2 測(cè)量范圍廣

傳統(tǒng)的人工測(cè)繪方式主要是通過工作人員攜帶測(cè)繪儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，受測(cè)量環(huán)境的影響測(cè)量范圍很難擴(kuò)展，對(duì)測(cè)繪工作造成很大影響。采用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以很好地解決這些問題。

測(cè)繪時(shí)可以采用多臺(tái)無人機(jī)同時(shí)工作，可以根據(jù)不同的測(cè)繪環(huán)境在不同的航拍高度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和測(cè)量，提高測(cè)繪范圍、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高且測(cè)繪工作效率高，無人機(jī)測(cè)繪通過光譜對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，可以得到大范圍的區(qū)域監(jiān)測(cè)信息。無人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)還可以同時(shí)處理多項(xiàng)數(shù)據(jù)，利用三維仿真模擬技術(shù)，結(jié)合原有數(shù)據(jù)庫(kù)信息對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行宏觀展示，提高測(cè)繪部門的工作質(zhì)量[3]。

2.3 超高的時(shí)效性

傳統(tǒng)測(cè)繪是工作人員在測(cè)繪時(shí)手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總整理后，傳遞給相關(guān)設(shè)計(jì)部門，這導(dǎo)致測(cè)繪數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)部門，不能與設(shè)計(jì)部門實(shí)時(shí)溝通，延誤測(cè)繪數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，降低項(xiàng)目的整體開發(fā)效率。

采用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪可以實(shí)時(shí)進(jìn)行信息聯(lián)動(dòng)，在測(cè)繪時(shí)可以將測(cè)繪的坐標(biāo)信息和圖像信息及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)部門，在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，設(shè)計(jì)部門可以根據(jù)特殊的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行復(fù)測(cè)。設(shè)計(jì)部門還可以對(duì)反饋的測(cè)繪信息進(jìn)行校準(zhǔn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)遺漏的測(cè)繪區(qū)域，提高測(cè)繪工程的工作質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

2.4 測(cè)繪成本低

大型項(xiàng)目的規(guī)劃期受項(xiàng)目環(huán)境的影響，測(cè)繪測(cè)量范圍大且測(cè)繪測(cè)量的內(nèi)容多，如果采用人工測(cè)量的方式，在項(xiàng)目成本上會(huì)加大人力成本，有可能會(huì)超出項(xiàng)目投資預(yù)算，影響項(xiàng)目開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。利用無人機(jī)技術(shù)開展測(cè)量工作，每天可以完成幾十平方公里的測(cè)繪工作，能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)繪工作，節(jié)省很多人力成本，且能夠很好地控制測(cè)量設(shè)備的損耗[4]。所以無人機(jī)技術(shù)會(huì)成為測(cè)繪工程的發(fā)展趨勢(shì)。

3 無人機(jī)測(cè)繪的工程實(shí)例

該文以某鐵礦礦區(qū)測(cè)量為例，該礦區(qū)位于山體的北段的山間盆地，南北低，中間高，海拔最高點(diǎn)1 051.86 m，海拔最低點(diǎn)約800 m，最大相對(duì)高差約252 m，地勢(shì)復(fù)雜，山區(qū)植被茂盛，多為灌木和林木，多懸崖陡壁，山區(qū)道路交通不便，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差。根據(jù)測(cè)繪的地形條件，保證礦山測(cè)繪的工作質(zhì)量，采用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，實(shí)現(xiàn)礦山DLG數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3.1 設(shè)置像控標(biāo)記點(diǎn)

該次測(cè)繪根據(jù)測(cè)繪區(qū)域的地形條件、形狀及面積等條件，將航飛確定為自西向東的9 條航線，航高1 100 m，分辨率0.16 m，通過GPS 飛控管理系統(tǒng)，對(duì)像控標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根據(jù)礦山的測(cè)繪條件選取地勢(shì)平坦、便于無人機(jī)影像識(shí)別的位置，對(duì)該區(qū)域采用滑石粉做像控標(biāo)志點(diǎn)，像控標(biāo)志點(diǎn)形狀多為“田”字，為保證后期測(cè)繪的準(zhǔn)確性，“田”字中心用紅色油漆標(biāo)記。根據(jù)該項(xiàng)目的地勢(shì)環(huán)境及交通不便等因素，該項(xiàng)目按1 ∶2000 比例，共布置10 個(gè)像控標(biāo)志點(diǎn)及1 000 個(gè)測(cè)繪檢查點(diǎn)。

3.2 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取

采用當(dāng)?shù)販y(cè)繪局工程測(cè)繪院建立的CORS 網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取與修正，高程基準(zhǔn)采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。飛行平臺(tái)選用快眼Ⅱ型無人機(jī)，進(jìn)行礦山地質(zhì)地貌測(cè)繪時(shí)，無人機(jī)配置高清攝像機(jī)佳能EOS 5DS，其像素可達(dá)到5 060萬。充分利用無人機(jī)遙感技術(shù)，以瓦片形式產(chǎn)生測(cè)繪信息，該瓦片信息可以切割正射影像數(shù)據(jù)文件，利用百度地圖瀏覽切割后的文件。利用微型無人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完美的結(jié)合測(cè)量技術(shù)和攝影技術(shù)，將獲取的影像信息采用空三算法完成原始照片的拼接、糾正等操作，并對(duì)測(cè)繪信息進(jìn)行自動(dòng)校正，優(yōu)化區(qū)域網(wǎng)信息，將測(cè)繪信息以標(biāo)準(zhǔn)化格式進(jìn)行輸出。

測(cè)繪得到的圖像信息還可以自動(dòng)劃分色區(qū)，對(duì)測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)修正，快速生成礦山地質(zhì)測(cè)繪圖像，獲得良好的衛(wèi)星遙感影像，有效提高測(cè)繪工作的質(zhì)量和效率。無人機(jī)遙感系統(tǒng)通過DATMatrix+ATMatrix+PATB 來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)、距離、體積、面積等信息的測(cè)量。無人機(jī)內(nèi)自帶的GPS 定位系統(tǒng)可以對(duì)礦山地理位置進(jìn)行精確計(jì)算，如果在測(cè)繪過程中對(duì)測(cè)繪精度有更高要求，可以隨時(shí)添加測(cè)繪點(diǎn)，將等高線比例控制在1 ∶500，大大提高測(cè)繪的空間分辨率。在無人機(jī)上加載POS 系統(tǒng)輔助進(jìn)行空中三角測(cè)量，可以更加精準(zhǔn)地測(cè)量攝像機(jī)曝光時(shí)刻的外方位元素。

3.3 測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸回計(jì)算機(jī)，建立測(cè)量區(qū)域控制網(wǎng)，通過正射影像實(shí)現(xiàn)矢量化，校核系統(tǒng)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，確保無人機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的可靠性。該項(xiàng)目中礦山樹木較為茂盛，無人機(jī)測(cè)繪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為高層數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，將影像測(cè)量數(shù)據(jù)的點(diǎn)云去除。采用Lidar Model模塊對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到測(cè)繪區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離地高度，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格數(shù)據(jù)，構(gòu)造離地高度的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，應(yīng)用Raster 軟件得到測(cè)繪區(qū)的地面模型。根據(jù)正射影像數(shù)據(jù)增加測(cè)繪區(qū)的特征地形數(shù)據(jù)，加載時(shí)輸入測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)的樹木高度，并注意測(cè)繪區(qū)內(nèi)的懸崖陡壁、溝渠、坡坎等，最終獲得礦山測(cè)繪的地形高程點(diǎn)。

3.4 測(cè)繪結(jié)果分析

為保證工程質(zhì)量，應(yīng)檢查測(cè)繪結(jié)果的精度。利用GNSS-RTK 進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，地形高程點(diǎn)精度采用路面、溝渠、坡坎等地貌的高程離散點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)具有代表性且均勻分布在整個(gè)測(cè)繪區(qū)。檢查地形高程點(diǎn)的誤差統(tǒng)計(jì)應(yīng)能夠準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)測(cè)繪數(shù)據(jù)的高程精度，該項(xiàng)目選取3個(gè)測(cè)繪區(qū)的裸地檢查點(diǎn)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 3 個(gè)測(cè)繪區(qū)的裸地檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，3 個(gè)測(cè)繪區(qū)內(nèi)的無人機(jī)測(cè)繪的像控點(diǎn)平面誤差小于0.05 m，高程誤差小于0.2 m，檢查點(diǎn)的平面誤差小于0.3 m，檢查點(diǎn)的高程誤差控制在1 m 以內(nèi)。部分超出高程誤差的檢查點(diǎn)主要為樹木、房屋、電線桿等，這些檢查點(diǎn)不代表高程誤差，所以無人機(jī)測(cè)繪滿足設(shè)計(jì)地形圖精度要求。

4 結(jié)語

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)對(duì)測(cè)繪工程需求的不斷提高，該文對(duì)無人機(jī)技術(shù)測(cè)繪工程進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，介紹了無人機(jī)技術(shù)測(cè)繪領(lǐng)域的主要方法及主要流程，為地形測(cè)繪工程提供必要的理論參考。