無人機攝影測量在高邊坡測量中的應用

徐文斌 顧士征

摘? 要：新技術是科技發展道路上留下的必然產物，隨著新技術的不斷更新和改進，其優勢在實際應用中被充分展現，因此人們也越來越愿意接納新技術。早在多年前無人機航測技術就被應用于測繪測量行業，目前已正式進入到實用化階段。無人機航拍技術是通過在無人機上安裝攝像頭的方式對地面展開觀測，從而獲得影像數據。憑借這些數據再加上數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，真正實現三維地形信息的測繪并完成影像模型，其優勢主要體現于易操作、降低人工投入成本、獲取數據快且準確，為企業節省了大量的資金。

關鍵詞：無人機;攝影測量;高邊坡;數字建模;三維地形信息

中圖分類號：P231 文獻標志碼：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

在進行地理信息測量時采用無人機技術，充分利用無人機所搭載的攝像頭實現在高空中進行立體式廣角拍攝，基本處于自動化模式，而獲取的信息準確率高且又全面，最適合用于全景圖像生成和對公路的測繪。通過無人機所拍攝的地面景象更為真實，對于部分原始影像數據信息可根據要求展開處理，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的良好評價，無論是從科研還是商業的角度去看其應用價值都是有目共睹的。

1 概述

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

2 無人機航測技術

2.1 航拍特點

與傳統拍攝技術相比，航拍具有三大特點。第一，快速航測反應能力。在實際測量工作中使用無人機航測一般都是低空飛行，不容易受天氣和環境的影響。而且，無人機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，在無人機航測過程中無需駕駛員進行操作，因此也無需為工作人員考慮安全問題。無人機升空只需15秒左右即可完成，其操作也非常簡單易學。因為受到空域影像的范圍很小，所以能夠去往人工測量不能到達的地方，進而測量范圍廣大;第二，突出的時效性和性價比。在傳統的高分辨率衛星遙感數據中常常會遇到存檔數據時效性差和編程拍攝時效性差的問題，通過無人機航測技術就完全可以避免這兩個問題的發生，工作不僅可以隨時進行，還能以最短的時間測完規定區域，并準時輸送所測數據。與傳統衛星遙感測繪相比，無人機航測技術還有一大優勢就是為測量項目節省了大量的人工和資金成本;第三，監控區域受限制小。我國地域遼闊，有些區域地形和氣候都特別復雜，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星遙感技術進行數據采集的因素。而且根據我國相關規定，有明確指出大型飛機在航飛時不得低于5000m，而這也正是飛機會受云層影響的主要原因，一旦出現這種情況必會降低測量結果的精確度。那么，無人機因其監控的區域受限制較小，所以無論是成像質量還是測量精度都遠高于大飛機航拍的結果，恰好解決了上述問題[1]。

2.2 航拍攝影測量原理

所謂無人機航拍其實就是在無人機上安裝特定的攝像頭，人工操縱遙感根據需求對地面進行掃描，從而獲取的影像數據。其實際操作步驟如下：首先，通過遙控器控制飛機的飛行速度和方向等，在規劃好的航線上進行反復飛行來獲得坡體數據;然后，通過計算并分析所得到的這些數據，再根據各種數學算法建立幾何模型顯示出來。

2.3 航拍前的準備工作

首先，觀察。當來到一個陌生地點時需要做的第一步就是打開衛星地圖軟件，通過軟件先對這個地點做基本的了解和認知。通過衛星地圖軟件能夠識別接下來需要進行航拍區域中的建筑物、橋梁、道路和停車場的基本情況，為航拍做好先前的準備工作，也便于選定實際航拍的角度與位置。其次，選擇起飛點。為方便操作手操作盡量選擇視野開闊的區域為起飛點，確保各種遙控信號不間斷以免影響圖像數據的傳輸。最后，航線規劃。在選擇航線之前，必須保證無人機的安全，確定在此航線中不受氣流等自然現象或人為性攻擊;同時，為了確保所拍圖像的辨識度能夠達到要求，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省成本。

2.4 選擇像控點

正確選擇像控點非常重要，因為它會影響成圖的數學精度，一旦選擇的位置不合適，內業成圖質量將難以得到保障，同時也會給實地觀測作業與內業成圖工作帶來不同程度的困擾。平面點、高程點和平高點必須選在明顯目標點上，因為它是影像位置能夠清楚識別的點。通常情況下，大部分地區理想中的明顯目標基本是接近直角同時又臨近水平的線狀地物的交點和地物的拐角處，尤其是處于固定狀態下的田角與道路交叉，都會被選為理想目標的重點考察對象。

2.5 航線規劃

在開展航線規劃時采用Altizure軟件，可以使航線規劃更加準確，而且在完成規劃后可以設置自動執行任務飛行，方便又實用。操作步驟具體如下：（1）在無人機飛行之前先打開APP的新建任務;（2）限定目標范圍;（3）設置相關參數并將任務進行保存;（4）點擊任務開始并隨之上傳;（5）當任務上傳成功后正式開始飛行，首先前往第一條航線起點開始第一條線路飛行，開啟自動拍照模式，當完成第一條路線飛行后繼續第2，3，4……條任務路線，重復以上操作到所有線路全部飛完，任務全部完成后會自動返航。當然，在正式飛行前必須保證飛行環境的安全[2]。

2.6 使用軟件制作三維模型

通過Pix4Dmapper把無人機拍攝影像以最快的速度制作出最為精確專業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。通常情況下選取6%的照片作為控制點，但在高程變化大的區域適當增加控制點數量可以幫助提升高程精度。將控制點刺于圖像上，在距離測區邊緣的區域不要設置控制點。

3 實用案例分析

世紀大道項目高邊坡航測。在世紀大道YK4+938～YK5+026m段的右側是高邊坡，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。此邊坡屬于巖土質高邊坡，巖性種類繁多，錯綜復雜，有少許殘坡積土體覆蓋于表面，此邊坡不具穩定性，當高邊坡開挖后需及時施做錨索框架梁，而且當下屬雨季，受雨水沖刷的影響導致邊坡的左側部分土體發生了滑移變形等現象。此刻及時采用航測技術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）做出航線規劃，制定數字表面模型;（2）生成點云三維模型;（3）加密點云三維模型;（4）基于加密點云數據生成邊坡三維模型[3]。

4 在實際航測過程經常遇到的問題及解決方法

本次航測過程中遇到了三個問題，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）在無人機的整個拍攝過程中常會出現姿態失穩現象;（2）基于此次大疆精靈4設備的地面站軟件設置問題。解決方式：（1）一定要避開強風暴雨天氣和高強度光照的時間段，盡量選擇各方面條件都符合飛行的天氣;（2）在設置地面站軟件

時，其中一項是對拍攝時間間隔的設置，當出現無人機懸停狀態時多數是因為時間間隔設置過大，在確保重合度的情況下會有時間穩定姿態。第二，部分區塊處理失敗。解決方式：將失敗的區塊選中，重新提交任務即可。假如處理失敗則不要急于重新提交，待全部數據處理結束后再重新提交處理失敗的部分。第三，航線規劃以及去除冗余航線，減少影像數據量。面對規則的建筑群要合理規劃航線，當無人機以45°角對建筑進行斜角拍攝時，合理的拍攝角度為此次拍攝省去了俯拍的數據，減少數據量的同時還提升了拍攝相片的清晰度，增加建模精度，減少建模時間。對無人機調查拍攝區域調整最佳角度進行傾斜攝影可以減少模型的變形量[4]。

5 結束語

無人機攝影測量技術科學又實用，其獲取數據信息及時又準確，在高邊坡測量過程中也受益良多。時至今日無人機航測技術在各項測繪手段中算是成本最低、速度最快、精準度最高的一種。在對公路崩滑陡峭地段測量中十分受用，所取效益頗豐。既完成了傳統測繪手段所完成不了的任務，還凸顯出信息化測繪的特點，更助力于無人機測繪系統的未來發展。

參考文獻：

[1]宋亮.無人機航測技術在農村地籍調查中的應用[J].北京測繪，2014（04）：96-98.

[2]吳霞.山地航空攝影像控點選擇及要求[J].科技創新與應用，2016（25）：293-293.

[3]連鎮華.無人機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.

[4]桑文剛，李娜，韓峰，等.小區域消費級無人機傾斜攝影像控點布設及建模精度研究[J].測繪通報，2019（10）：93-96.