無人機(jī)攝影測量在高邊坡測量中的應(yīng)用

徐文斌 顧士征

摘? 要：新技術(shù)是科技發(fā)展道路上留下的必然產(chǎn)物，隨著新技術(shù)的不斷更新和改進(jìn)，其優(yōu)勢在實(shí)際應(yīng)用中被充分展現(xiàn)，因此人們也越來越愿意接納新技術(shù)。早在多年前無人機(jī)航測技術(shù)就被應(yīng)用于測繪測量行業(yè)，目前已正式進(jìn)入到實(shí)用化階段。無人機(jī)航拍技術(shù)是通過在無人機(jī)上安裝攝像頭的方式對地面展開觀測，從而獲得影像數(shù)據(jù)。憑借這些數(shù)據(jù)再加上數(shù)字建模的算法即可快速生成各種地理信息和長、寬、高等參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)三維地形信息的測繪并完成影像模型，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)于易操作、降低人工投入成本、獲取數(shù)據(jù)快且準(zhǔn)確，為企業(yè)節(jié)省了大量的資金。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);攝影測量;高邊坡;數(shù)字建模;三維地形信息

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0167-02

Abstract： New technology is the inevitable product left on the road of scientific and technological development. With the continuous update and improvement of new technology， its advantages are fully demonstrated in practical application， so people are more and more willing to accept new technology. As early as many years ago， unmanned aerial vehicle （UAV） aerial survey technology was applied to the surveying and mapping industry， and now it has officially entered the practical stage. The aerial photography technology of UAV is to observe the ground by installing a camera on the UAV to obtain image data. With these data and digital modeling algorithms， we can quickly generate all kinds of geographic information and length， width and advanced parameters， and truly realize the surveying and mapping of 3D topographic information and complete the image model. Its advantages are mainly reflected in easy operation， reducing labor input costs， having fast and accurate access to data， and saving a lot of money for enterprises.

Keywords： unmanned aerial vehicle（UAV）; photogrammetry; high and steep slope; digital modeling; 3D topographic information

引言

在進(jìn)行地理信息測量時(shí)采用無人機(jī)技術(shù)，充分利用無人機(jī)所搭載的攝像頭實(shí)現(xiàn)在高空中進(jìn)行立體式廣角拍攝，基本處于自動化模式，而獲取的信息準(zhǔn)確率高且又全面，最適合用于全景圖像生成和對公路的測繪。通過無人機(jī)所拍攝的地面景象更為真實(shí)，對于部分原始影像數(shù)據(jù)信息可根據(jù)要求展開處理，使其顯示效果更易于肉眼識別，方便工作人員直接使用。也正因此才獲得了用戶體驗(yàn)的良好評價(jià)，無論是從科研還是商業(yè)的角度去看其應(yīng)用價(jià)值都是有目共睹的。

1 概述

以某市世紀(jì)大道工程主線為例，全長6480.201m，其中存在12處多級不規(guī)則高邊坡。使用GPS儀和人工操作全站儀對高邊坡進(jìn)行測量是傳統(tǒng)的方式，而在此次測量中則使用無人機(jī)航拍航測技術(shù)展現(xiàn)全景式測量，其效果明顯好于傳統(tǒng)測量方式。

2 無人機(jī)航測技術(shù)

2.1 航拍特點(diǎn)

與傳統(tǒng)拍攝技術(shù)相比，航拍具有三大特點(diǎn)。第一，快速航測反應(yīng)能力。在實(shí)際測量工作中使用無人機(jī)航測一般都是低空飛行，不容易受天氣和環(huán)境的影響。而且，無人機(jī)本身小巧不需要太大或特制的起飛和降落的場地，通常只要場地平整即可。同時(shí)，在無人機(jī)航測過程中無需駕駛員進(jìn)行操作，因此也無需為工作人員考慮安全問題。無人機(jī)升空只需15秒左右即可完成，其操作也非常簡單易學(xué)。因?yàn)槭艿娇沼蛴跋竦姆秶苄?，所以能夠去往人工測量不能到達(dá)的地方，進(jìn)而測量范圍廣大;第二，突出的時(shí)效性和性價(jià)比。在傳統(tǒng)的高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中常常會遇到存檔數(shù)據(jù)時(shí)效性差和編程拍攝時(shí)效性差的問題，通過無人機(jī)航測技術(shù)就完全可以避免這兩個(gè)問題的發(fā)生，工作不僅可以隨時(shí)進(jìn)行，還能以最短的時(shí)間測完規(guī)定區(qū)域，并準(zhǔn)時(shí)輸送所測數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感測繪相比，無人機(jī)航測技術(shù)還有一大優(yōu)勢就是為測量項(xiàng)目節(jié)省了大量的人工和資金成本;第三，監(jiān)控區(qū)域受限制小。我國地域遼闊，有些區(qū)域地形和氣候都特別復(fù)雜，例如常年積雪、全年云層較厚等，而這些都有可能成為影響衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的因素。而且根據(jù)我國相關(guān)規(guī)定，有明確指出大型飛機(jī)在航飛時(shí)不得低于5000m，而這也正是飛機(jī)會受云層影響的主要原因，一旦出現(xiàn)這種情況必會降低測量結(jié)果的精確度。那么，無人機(jī)因其監(jiān)控的區(qū)域受限制較小，所以無論是成像質(zhì)量還是測量精度都遠(yuǎn)高于大飛機(jī)航拍的結(jié)果，恰好解決了上述問題[1]。

2.2 航拍攝影測量原理

所謂無人機(jī)航拍其實(shí)就是在無人機(jī)上安裝特定的攝像頭，人工操縱遙感根據(jù)需求對地面進(jìn)行掃描，從而獲取的影像數(shù)據(jù)。其實(shí)際操作步驟如下：首先，通過遙控器控制飛機(jī)的飛行速度和方向等，在規(guī)劃好的航線上進(jìn)行反復(fù)飛行來獲得坡體數(shù)據(jù);然后，通過計(jì)算并分析所得到的這些數(shù)據(jù)，再根據(jù)各種數(shù)學(xué)算法建立幾何模型顯示出來。

2.3 航拍前的準(zhǔn)備工作

首先，觀察。當(dāng)來到一個(gè)陌生地點(diǎn)時(shí)需要做的第一步就是打開衛(wèi)星地圖軟件，通過軟件先對這個(gè)地點(diǎn)做基本的了解和認(rèn)知。通過衛(wèi)星地圖軟件能夠識別接下來需要進(jìn)行航拍區(qū)域中的建筑物、橋梁、道路和停車場的基本情況，為航拍做好先前的準(zhǔn)備工作，也便于選定實(shí)際航拍的角度與位置。其次，選擇起飛點(diǎn)。為方便操作手操作盡量選擇視野開闊的區(qū)域?yàn)槠痫w點(diǎn)，確保各種遙控信號不間斷以免影響圖像數(shù)據(jù)的傳輸。最后，航線規(guī)劃。在選擇航線之前，必須保證無人機(jī)的安全，確定在此航線中不受氣流等自然現(xiàn)象或人為性攻擊;同時(shí)，為了確保所拍圖像的辨識度能夠達(dá)到要求，拍攝角度必須選擇最佳否則會直接影響航拍效果。在符合以上所有條件下的路線中選擇最短的一條可以節(jié)省成本。

2.4 選擇像控點(diǎn)

正確選擇像控點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗鼤绊懗蓤D的數(shù)學(xué)精度，一旦選擇的位置不合適，內(nèi)業(yè)成圖質(zhì)量將難以得到保障，同時(shí)也會給實(shí)地觀測作業(yè)與內(nèi)業(yè)成圖工作帶來不同程度的困擾。平面點(diǎn)、高程點(diǎn)和平高點(diǎn)必須選在明顯目標(biāo)點(diǎn)上，因?yàn)樗怯跋裎恢媚軌蚯宄R別的點(diǎn)。通常情況下，大部分地區(qū)理想中的明顯目標(biāo)基本是接近直角同時(shí)又臨近水平的線狀地物的交點(diǎn)和地物的拐角處，尤其是處于固定狀態(tài)下的田角與道路交叉，都會被選為理想目標(biāo)的重點(diǎn)考察對象。

2.5 航線規(guī)劃

在開展航線規(guī)劃時(shí)采用Altizure軟件，可以使航線規(guī)劃更加準(zhǔn)確，而且在完成規(guī)劃后可以設(shè)置自動執(zhí)行任務(wù)飛行，方便又實(shí)用。操作步驟具體如下：（1）在無人機(jī)飛行之前先打開APP的新建任務(wù);（2）限定目標(biāo)范圍;（3）設(shè)置相關(guān)參數(shù)并將任務(wù)進(jìn)行保存;（4）點(diǎn)擊任務(wù)開始并隨之上傳;（5）當(dāng)任務(wù)上傳成功后正式開始飛行，首先前往第一條航線起點(diǎn)開始第一條線路飛行，開啟自動拍照模式，當(dāng)完成第一條路線飛行后繼續(xù)第2，3，4……條任務(wù)路線，重復(fù)以上操作到所有線路全部飛完，任務(wù)全部完成后會自動返航。當(dāng)然，在正式飛行前必須保證飛行環(huán)境的安全[2]。

2.6 使用軟件制作三維模型

通過Pix4Dmapper把無人機(jī)拍攝影像以最快的速度制作出最為精確專業(yè)的二維地圖和三維模型。為提高生成模型的精度可以在建模過程中加入控制點(diǎn)。通常情況下選取6%的照片作為控制點(diǎn)，但在高程變化大的區(qū)域適當(dāng)增加控制點(diǎn)數(shù)量可以幫助提升高程精度。將控制點(diǎn)刺于圖像上，在距離測區(qū)邊緣的區(qū)域不要設(shè)置控制點(diǎn)。

3 實(shí)用案例分析

世紀(jì)大道項(xiàng)目高邊坡航測。在世紀(jì)大道YK4+938～YK5+026m段的右側(cè)是高邊坡，其總長度大約有90m，此邊坡是按照三級放坡開挖，坡高在16.1m～36.6m之間，放坡坡率在1：0.72～1：0.80之間。此邊坡屬于巖土質(zhì)高邊坡，巖性種類繁多，錯(cuò)綜復(fù)雜，有少許殘坡積土體覆蓋于表面，此邊坡不具穩(wěn)定性，當(dāng)高邊坡開挖后需及時(shí)施做錨索框架梁，而且當(dāng)下屬雨季，受雨水沖刷的影響導(dǎo)致邊坡的左側(cè)部分土體發(fā)生了滑移變形等現(xiàn)象。此刻及時(shí)采用航測技術(shù)快速測出邊坡的具體變形情況，對坡腳采取了加固措施，得以妥善處理。具體航測分為以下四步：（1）做出航線規(guī)劃，制定數(shù)字表面模型;（2）生成點(diǎn)云三維模型;（3）加密點(diǎn)云三維模型;（4）基于加密點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成邊坡三維模型[3]。

4 在實(shí)際航測過程經(jīng)常遇到的問題及解決方法

本次航測過程中遇到了三個(gè)問題，具體問題說明及解決方法如下：第一，建模效果模糊度過高的原因：（1）在無人機(jī)的整個(gè)拍攝過程中常會出現(xiàn)姿態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象;（2）基于此次大疆精靈4設(shè)備的地面站軟件設(shè)置問題。解決方式：（1）一定要避開強(qiáng)風(fēng)暴雨天氣和高強(qiáng)度光照的時(shí)間段，盡量選擇各方面條件都符合飛行的天氣;（2）在設(shè)置地面站軟件

時(shí)，其中一項(xiàng)是對拍攝時(shí)間間隔的設(shè)置，當(dāng)出現(xiàn)無人機(jī)懸停狀態(tài)時(shí)多數(shù)是因?yàn)闀r(shí)間間隔設(shè)置過大，在確保重合度的情況下會有時(shí)間穩(wěn)定姿態(tài)。第二，部分區(qū)塊處理失敗。解決方式：將失敗的區(qū)塊選中，重新提交任務(wù)即可。假如處理失敗則不要急于重新提交，待全部數(shù)據(jù)處理結(jié)束后再重新提交處理失敗的部分。第三，航線規(guī)劃以及去除冗余航線，減少影像數(shù)據(jù)量。面對規(guī)則的建筑群要合理規(guī)劃航線，當(dāng)無人機(jī)以45°角對建筑進(jìn)行斜角拍攝時(shí)，合理的拍攝角度為此次拍攝省去了俯拍的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)量的同時(shí)還提升了拍攝相片的清晰度，增加建模精度，減少建模時(shí)間。對無人機(jī)調(diào)查拍攝區(qū)域調(diào)整最佳角度進(jìn)行傾斜攝影可以減少模型的變形量[4]。

5 結(jié)束語

無人機(jī)攝影測量技術(shù)科學(xué)又實(shí)用，其獲取數(shù)據(jù)信息及時(shí)又準(zhǔn)確，在高邊坡測量過程中也受益良多。時(shí)至今日無人機(jī)航測技術(shù)在各項(xiàng)測繪手段中算是成本最低、速度最快、精準(zhǔn)度最高的一種。在對公路崩滑陡峭地段測量中十分受用，所取效益頗豐。既完成了傳統(tǒng)測繪手段所完成不了的任務(wù)，還凸顯出信息化測繪的特點(diǎn)，更助力于無人機(jī)測繪系統(tǒng)的未來發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3]連鎮(zhèn)華.無人機(jī)航攝相片傾角對立體高程扭曲的影響分析[J].地理空間信息，2010（01）：20-22.

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