地質(zhì)測(cè)繪中的無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)解決方案分析

張梅 韓正

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100）

0.引言

當(dāng)前背景下，測(cè)圖常用的方法有航攝數(shù)字化測(cè)圖、全野外數(shù)字測(cè)圖兩種方法。全野外數(shù)字化測(cè)圖，通過(guò)RTK、全站儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，既消耗了大量物力、人力，且應(yīng)用范圍較窄。傳統(tǒng)航空測(cè)量發(fā)展比較完善，且在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)成本消耗大，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，誕生了許多先進(jìn)技術(shù)，并在相關(guān)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。其中無(wú)人機(jī)技術(shù)搭配航測(cè)技術(shù)，在地質(zhì)測(cè)繪領(lǐng)域凸顯了巨大優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)人工測(cè)量相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎不會(huì)受地貌因素的影響，其在危險(xiǎn)領(lǐng)域的測(cè)繪中效果顯著，同時(shí)為地質(zhì)測(cè)繪圖和航拍影像提供了新的采集方式。

1.無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)、攝影傳感器和GPS定位導(dǎo)航等。無(wú)人機(jī)成本低、專業(yè)性強(qiáng)，在飛行中，能使用遠(yuǎn)程通信裝置、信息處理系統(tǒng)、飛行平臺(tái)及操作系統(tǒng)等完成相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集工作，并且無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)操作便捷，能精準(zhǔn)獲取影像，幾乎不受地形因素的影響[1]。其中，空中測(cè)量系統(tǒng)包括自動(dòng)駕駛儀、飛行平臺(tái)和數(shù)碼相機(jī)等，主要用來(lái)完成空中測(cè)量攝影工作。地面控制系統(tǒng)，主要由地面?zhèn)鬏敗o(wú)人機(jī)地面控制與數(shù)據(jù)接收接收交換等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)后處理軟件，主要適用于后期數(shù)據(jù)處理、航前測(cè)定等工作（如圖1所示）。這一階段的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)、編輯數(shù)據(jù)，一方面，利用DEM（數(shù)字高程模型）和DOM（數(shù)字正射影像圖）生成處理，依托現(xiàn)代化技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等生成基本數(shù)據(jù)模型；另一方面，檢測(cè)DEM和DOM數(shù)據(jù)生成的結(jié)果，最大限度確保數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，對(duì)DEM和DOM成果進(jìn)行輸出。隨后，做好DLG（數(shù)字線劃圖）制作，對(duì)DLG成果進(jìn)行輸出。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的工作流程為：區(qū)域航線測(cè)量規(guī)劃—無(wú)人機(jī)航線拍攝作業(yè)控制—存儲(chǔ)拍攝數(shù)據(jù)—交換地面控制數(shù)據(jù)—無(wú)人機(jī)降落—補(bǔ)拍數(shù)據(jù)資料—完成無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量[2]。

圖1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)板卡

2.地質(zhì)測(cè)量工作特點(diǎn)

地質(zhì)測(cè)繪是為進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查及其成果圖件的編制所涉及的全部測(cè)繪工作的總稱。地形測(cè)量是指在地形圖的測(cè)繪過(guò)程中，測(cè)量地球表面物體、地形水平面的投影位置和高程，然后結(jié)合一定比例要求進(jìn)行縮小，做好測(cè)繪工作。通過(guò)無(wú)人機(jī)航空測(cè)量影像，測(cè)區(qū)位于山東某地（如圖2所示）。整條線路位于丘陵地形測(cè)區(qū)，海拔為219-284km。測(cè)區(qū)線路復(fù)雜，地形隱蔽，地物較多[3]。部分地區(qū)地物雜亂、樹(shù)林密集，沿線道路交通良好，影響通視情況。在本次測(cè)繪工作中，全站儀、RTK等測(cè)量難度較大，部分區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況比較復(fù)雜，樹(shù)木較多，這在一定程度上加重了測(cè)量工作的難度，加之項(xiàng)目工期較短，決定此次拍攝選用無(wú)人機(jī)航拍的方式[4]（如圖3所示）：

圖2 測(cè)繪區(qū)域圖

圖3 無(wú)人機(jī)航拍

3.無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在地質(zhì)測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

3.1 監(jiān)測(cè)高效、處理效率高

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)有很強(qiáng)的時(shí)效性，廣泛應(yīng)用在緊急事件的監(jiān)測(cè)方面，可快速采集監(jiān)測(cè)區(qū)的影像數(shù)據(jù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度地形圖的繪制，可在第一時(shí)間為相關(guān)部門(mén)的應(yīng)急處理提供幫助。在監(jiān)測(cè)效率方面，單臺(tái)無(wú)人機(jī)的監(jiān)測(cè)范圍在2100km左右，監(jiān)測(cè)效率較高；在數(shù)據(jù)精度方面，無(wú)人機(jī)影像分辨率明顯高于衛(wèi)星影像，且介于0.1m-0.5m之間，精度較高[5]。隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的成熟和完善，其在民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也能應(yīng)用于數(shù)字城市發(fā)展建設(shè)、災(zāi)害預(yù)測(cè)和評(píng)估、網(wǎng)線電網(wǎng)鋪設(shè)、通訊站的建立、國(guó)土資源勘察、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)突發(fā)事件、城市發(fā)展規(guī)劃、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、森林治理、數(shù)字化農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在實(shí)際測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)依托正射影像編制的公里格網(wǎng)、圖廓內(nèi)外注記的平面圖正射影像圖，整張圖像并沒(méi)有扭曲的情況。據(jù)悉，在精度控制方面，主要分為差分RTK和PPK的后差分處理。在地形圖的測(cè)繪方面，RTK的應(yīng)用范圍較廣，相較于傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，其操作簡(jiǎn)單，且測(cè)量精度較高。例如，在城市規(guī)劃區(qū)的測(cè)繪過(guò)程中，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)控制點(diǎn)，鑒于此，必須要使用RTK技術(shù)。若能準(zhǔn)確提出控制點(diǎn)，則能有效提高其施工效果。通過(guò)RTK技術(shù)的應(yīng)用，有助于常規(guī)測(cè)量工作的順利開(kāi)展。但因?yàn)樯絽^(qū)的信號(hào)較差，在一定程度上增加了RTK的應(yīng)用難度，也就是通過(guò)后差分PPK來(lái)減少像控點(diǎn)，極大減輕了其工作負(fù)擔(dān)，有助于精確度的提高。

3.2 范圍大且具宏觀性

通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，采用三維仿真模擬技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域情況進(jìn)行宏觀展示，同時(shí)為相關(guān)部分的決策提供指導(dǎo)。針對(duì)不同航空高度的無(wú)人機(jī)，其都有自身的監(jiān)測(cè)范圍，能應(yīng)對(duì)大范圍的高空監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能對(duì)面積較小的地面范圍開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確性。在遙感監(jiān)測(cè)作業(yè)的過(guò)程中，依托多架無(wú)人機(jī)配合工作，確保大范圍上萬(wàn)平方公里的監(jiān)測(cè)作業(yè)的順利開(kāi)展。工作人員通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行光譜分析，從而更大范圍獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最后得到整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)的整體信息。在環(huán)境相對(duì)惡劣的工作地點(diǎn)工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)因當(dāng)?shù)丨h(huán)境無(wú)法開(kāi)展傳統(tǒng)航空攝影，如，高山阻礙、云層過(guò)低等，這時(shí)未能發(fā)揮無(wú)人機(jī)的航拍優(yōu)勢(shì)。在任何地形下，都可以順利起飛，充分發(fā)揮航空拍攝的效果，有助于高空影像的精準(zhǔn)收集。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)作為一種有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)，能通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)掌握國(guó)土資源數(shù)量、分布及變化趨勢(shì)，為相關(guān)工作提供決策指導(dǎo)。

4.地質(zhì)測(cè)繪中無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)解決方案的實(shí)踐

信息化背景下，地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)不斷革新，傳統(tǒng)測(cè)量方式已不能滿足現(xiàn)代測(cè)繪的需求，而無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，不僅處理了復(fù)雜地形的測(cè)量問(wèn)題，同時(shí)能為后續(xù)工作的開(kāi)展提供了便利。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程為“技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)—航攝實(shí)施—像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量—像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量—內(nèi)業(yè)空三加密—資料整理”。無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)和航拍技術(shù)參數(shù)（如表1、表2所示）:

表1 無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 航拍技術(shù)參數(shù)

4.1 控制點(diǎn)測(cè)量

本項(xiàng)目應(yīng)用先測(cè)設(shè)像控點(diǎn)再實(shí)施航空攝影。在使用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展地形測(cè)量的過(guò)程中，工作人員先設(shè)置像控點(diǎn)，然后對(duì)照影像控點(diǎn)實(shí)施無(wú)人機(jī)航空攝影，以1980西安坐標(biāo)系中的相關(guān)控制點(diǎn)，便于全面覆蓋則兩區(qū)域，確保后續(xù)工作的順利開(kāi)展。在設(shè)置像控點(diǎn)時(shí)，工作人員把其布置在旁向重疊、航向重疊等區(qū)域，這有效確保了像控點(diǎn)的公用性。如果未能滿足公用性的要求，則需通過(guò)分別布點(diǎn)防止出現(xiàn)紕漏。在測(cè)量環(huán)節(jié)中，其對(duì)測(cè)量精度提出了更高的要求，而按照實(shí)際的測(cè)量情況，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用有助于作業(yè)實(shí)效的提高。針對(duì)地質(zhì)測(cè)繪的工作人員來(lái)講，應(yīng)在手機(jī)智能設(shè)備中安裝相關(guān)軟件，并導(dǎo)入像控點(diǎn)的位置信息，同時(shí)使用衛(wèi)星地圖進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并按照實(shí)際測(cè)量線路科學(xué)規(guī)劃像控點(diǎn)的位置。為了最大限度提升像控點(diǎn)的測(cè)量精度，工作人員要對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)選擇，將像控點(diǎn)的平面中誤差控制在0.025m以內(nèi)，確保符合相關(guān)規(guī)范和要求。在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航跡線設(shè)計(jì)像控點(diǎn)時(shí)，總共設(shè)置了70個(gè)像控點(diǎn)，同時(shí)在地面上進(jìn)行標(biāo)記，從而提高無(wú)人機(jī)辨識(shí)的準(zhǔn)確性。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 檢查影像質(zhì)量

在無(wú)人機(jī)航測(cè)完成后，工作人員應(yīng)根據(jù)無(wú)人機(jī)測(cè)量獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)飛行的質(zhì)量進(jìn)行檢查（如圖4所示）,其中，飛行質(zhì)量的檢查主要由影像重疊度、航線彎曲度、高度變化、像片旋角和傾角等組成，值得注意的是，要確保航拍范圍符合任務(wù)要求；關(guān)于影像質(zhì)量的檢查，包括色調(diào)、清晰度、層次及反差等內(nèi)容，看其能否識(shí)別細(xì)小的地物，并建構(gòu)相應(yīng)的立體模型，著重檢查大面積的污點(diǎn)、陰影及反光等，看其是否影響模型的建構(gòu)。與此同時(shí)，在影像質(zhì)量的檢查過(guò)程中，應(yīng)考慮無(wú)人機(jī)在拍攝中的飛行速度，做好影像位移的工作，保證其能符合相關(guān)規(guī)范。若影像質(zhì)量欠佳，難以滿足作業(yè)要求時(shí)，則工作人員應(yīng)重新擬定測(cè)繪計(jì)劃，做好局部區(qū)域的補(bǔ)飛工作。

圖4 無(wú)人機(jī)航拍圖

4.2.2 空三加密測(cè)圖

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪項(xiàng)目的實(shí)際情況，借助PIX4D的方式開(kāi)展內(nèi)業(yè)作業(yè)，而在空三加密環(huán)節(jié)中，要使用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，采集好立體數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，應(yīng)使用統(tǒng)一的線型庫(kù)及符號(hào)庫(kù)，結(jié)合內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性的原則，確保地貌信息采集工作的順利開(kāi)展。等到數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束后，工作人員要對(duì)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)性進(jìn)行核查，避免出現(xiàn)移位和缺失的情況。然后使用CASS軟件，做好矢量地形圖的轉(zhuǎn)化工作，確保地形圖滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在開(kāi)展外業(yè)調(diào)繪的過(guò)程中，應(yīng)借助三點(diǎn)自動(dòng)匹配點(diǎn)校正影像數(shù)據(jù)，形成數(shù)字正射影像圖DOM，并根據(jù)1∶1000的比例尺進(jìn)行打印，做好底圖調(diào)繪工作（如圖5所示），在此期間，工作人員應(yīng)密切關(guān)注新增的地貌要素，借助幾何法、交會(huì)法等對(duì)照地物點(diǎn)實(shí)施補(bǔ)量，針對(duì)在測(cè)區(qū)內(nèi)分布的公路，要根據(jù)實(shí)地位置，做好寬度、名稱和等級(jí)的調(diào)繪工作。另外，針對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的各級(jí)公路的名稱、寬度、路面類型和道路構(gòu)造物等，應(yīng)結(jié)合實(shí)際位置進(jìn)行調(diào)繪。

圖5 隨機(jī)抽取地質(zhì)圖

4.2.3 結(jié)果精度分析

在地形測(cè)量項(xiàng)目中，實(shí)際測(cè)繪長(zhǎng)度40km，共得出1∶1000圖幅100幅。為了提高檢測(cè)效果的精確性，在測(cè)區(qū)隨機(jī)選擇了10幅成圖，對(duì)90個(gè)明顯地物點(diǎn)進(jìn)行了采集，對(duì)其精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果證明:按照1∶1000地形圖精度要求，不管是平面位置中的誤差，還是高程中誤差均符合設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，目前我國(guó)正處于社會(huì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，無(wú)人機(jī)技術(shù)在測(cè)繪工作中彰顯了其特殊優(yōu)勢(shì)，因此相關(guān)部門(mén)要大力發(fā)展無(wú)人機(jī)技術(shù)，確保其能為測(cè)繪工作提供技術(shù)方面的支持。無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)是一種新型的測(cè)量工作，有助于信息的高效獲得，所以在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。在地形測(cè)量過(guò)程中，在效率和質(zhì)量方面，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)比傳統(tǒng)的人工測(cè)量均有較好表現(xiàn)，能滿足復(fù)雜地形的測(cè)量要求。同時(shí)，借助抽樣檢測(cè)的方式，證實(shí)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)能滿足1∶1000地圖的繪制，另外其帶有靈活性、精準(zhǔn)性、高效性等優(yōu)勢(shì)，能為地質(zhì)測(cè)繪工作提供了良好的數(shù)據(jù)參考。