無人機(jī)航測技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

張本平

陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710018

1 無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 反應(yīng)快速

部分測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，地形起伏不定，在傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)體系中，為保證測繪作業(yè)安全，需要將飛機(jī)保持高空飛行狀態(tài)，飛機(jī)起降條件要求嚴(yán)格，且測量精度易受到氣候條件影響，致使測繪結(jié)果無法真實、全面地反映測區(qū)情況。在應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)時，以無人機(jī)作為飛行器，具有機(jī)動靈活的特征，其可以保持低空飛行狀態(tài)開展作業(yè)，在前方出現(xiàn)障礙物時可以快速調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行躲避，獲取準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)。同時，無人機(jī)起降條件要求寬泛，僅需在測區(qū)開辟一小段相對較為平整的路面，或是采取彈射起飛方式，在現(xiàn)場準(zhǔn)備滑行軌道、牽引鋼絲、開鎖裝置等，施加橡膠拉力牽動小車在軌道上加速滑行，即可賦予無人機(jī)平飛速度，快速操控?zé)o人機(jī)前往測區(qū)拍攝影像資料。

1.2 時效性強(qiáng)

在早期的大比例尺地形圖測繪項目中，普遍選擇能獲取高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行測繪，但在實際工作期間面臨著影像資料獲取時間較長、存檔數(shù)據(jù)時效性差的問題。在此背景下，應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，無人機(jī)可以在短時間內(nèi)前往測區(qū)航拍影像資料，實時將所拍攝資料通過數(shù)傳電臺傳輸至地面站，接收地面站下達(dá)的測繪任務(wù)與控制指令。同時，相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在一般條件下，無人機(jī)航測技術(shù)每日可完成數(shù)十平方公里的測繪任務(wù)，其時效性強(qiáng)的優(yōu)勢在小范圍測繪項目中得到了最大程度上的發(fā)揮。

1.3 綜合測繪成本低

從實際應(yīng)用情況來看，與傳統(tǒng)測繪技術(shù)相比，無人機(jī)航測技術(shù)在應(yīng)用前期雖然需要投入一定成本用于采購飛行器、數(shù)傳電臺、五鏡頭傾斜相機(jī)、數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備，但憑借技術(shù)地表數(shù)據(jù)獲取快速、適用范圍廣、反應(yīng)快速、作業(yè)效率高等優(yōu)勢，可以將綜合測繪成本控制在合理范圍內(nèi)，在同規(guī)模、類別的測繪項目中，無人機(jī)航測技術(shù)的綜合成本遠(yuǎn)低于人工測繪、航空攝影測量等測繪技術(shù)。因此，對于無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用，也是控制大比例尺地形圖測繪成本的一項重要舉措。

1.4 適用范圍廣

傳統(tǒng)地形圖測繪技術(shù)均存在一定的應(yīng)用局限性，如人工測繪效率低下、航空攝影測量技術(shù)的飛機(jī)飛行高度需要保持在5000m及以上，測量精度受云層等氣候條件干擾，難以高效完成特殊地形的測繪任務(wù)。與之相比，無人機(jī)航測技術(shù)的監(jiān)控區(qū)域受限制條件較少，消除了復(fù)雜地形、氣候條件等外部因素對測量精度和成圖質(zhì)量造成的影響，且測量精度與成像質(zhì)量均可以得到保障。

2 無人機(jī)航測技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

2.1 地面控制系統(tǒng)搭設(shè)、航線規(guī)劃與航測控制點布設(shè)

首先，在現(xiàn)場設(shè)置地面基站，在基站內(nèi)安裝遙控器、視頻顯示器、數(shù)傳電臺和電源子系統(tǒng)，在后續(xù)無人機(jī)航測過程中，由地面基站通過數(shù)傳電臺持續(xù)獲取實時拍攝的影像資料與觀測數(shù)據(jù)，對無人機(jī)遠(yuǎn)程下達(dá)控制指令，如調(diào)整無人機(jī)的飛行高度、速度與姿態(tài)，根據(jù)外業(yè)作業(yè)情況調(diào)整無人機(jī)航向。

其次，規(guī)劃無人機(jī)航線，遵循《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3004—2010）等規(guī)范文件，結(jié)合測區(qū)地形地貌起伏情況設(shè)定無人機(jī)航線與飛行高度，以此控制像片重疊率、像片旋角，將無人機(jī)飛行期間與攝影基準(zhǔn)面的相對高度保持基本一致，避免因相對高度波動變化而影響到測繪成果分辨率。

最后，綜合分析現(xiàn)場地形條件、測繪任務(wù)要求、控制網(wǎng)形狀等因素，在測區(qū)現(xiàn)場內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的航測控制點，如在首條和最后一條無人機(jī)航線內(nèi)設(shè)置不超過8個平面像控點，在重丘陵和微丘陵測區(qū)內(nèi)分別將基線數(shù)量控制在16個左右和12個以內(nèi)。同時，部分大比例尺地形圖測繪項目的現(xiàn)場地形條件過于復(fù)雜，不具備設(shè)置明確像控點目標(biāo)的條件，因此需要以小型目標(biāo)為依據(jù)來布設(shè)高程點，同步采取分段擬合方法，以控制所采集影像資料的質(zhì)量，掌握物體交點和頂點部位的位置信息。

2.2 測區(qū)影像數(shù)據(jù)的全面采集

在測區(qū)影像數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，測繪人員需提前做好準(zhǔn)備工作，檢查無人機(jī)航測系統(tǒng)中的各項功能使用情況，如航向定位功能、信號收發(fā)功能。待準(zhǔn)備工作完成后，在ALtizuree等軟件中導(dǎo)入無人機(jī)航線與劃分測區(qū)長度方向，分別設(shè)定各測區(qū)航向、飛行高度、飛行速度等參數(shù)，根據(jù)測繪任務(wù)要求開展空中三角測量與照片控制測量作業(yè)，要求影像重疊度不得小于85%。同時，組合應(yīng)用POS技術(shù)，在無人機(jī)飛行期間持續(xù)感知無人機(jī)飛行姿態(tài)，以此解決無人機(jī)航測技術(shù)姿態(tài)穩(wěn)定性差和影像旋偏角過大的技術(shù)問題，依托這項技術(shù)開展測繪點三維坐標(biāo)測算作業(yè)。

在空中三角測量步驟中，測繪人員在已掌握野外控制點信息的基礎(chǔ)上，對各處控制點進(jìn)行加密處理，由無人機(jī)航測系統(tǒng)在運行期間替代人工自動拍攝影像資料與完成計算操作，工作人員提前在系統(tǒng)中輸入連接點位，將其和測量模型進(jìn)行連接，即可在測量過程中獲取各處加密點平面位置以及高程等數(shù)據(jù)，切實滿足大比例尺地形圖測繪需要。同時，在空中三角測量期間，重點控制絕對定位精度與相對定位精度，例如，在1∶1000的大比例尺地形圖中，將丘陵地形中的定向點殘差的平面誤差控制在0.25mm以下，將高程誤差控制在0.25m以下。在照片控制測量步驟中，組合應(yīng)用無人機(jī)航測與GPS系統(tǒng)，對外業(yè)作業(yè)期間獲取的三維觀測數(shù)據(jù)及航測影像信息進(jìn)行結(jié)合處理，從而既可以獲取測區(qū)內(nèi)各處控制點的三維空間坐標(biāo)值，又可以準(zhǔn)確描述各項控制點間的位置關(guān)系。

2.3 航測數(shù)據(jù)處理

在航測數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，工作人員提前將所收集航測影像資料進(jìn)行分組處理，要求各組次內(nèi)的照片數(shù)量不得少于6張，并將航測影像資料及外業(yè)控制成果輸入模型，從中篩選高精度圖像與處理刺點數(shù)據(jù)。隨后，使用航測軟件依次對所導(dǎo)入航測數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密、點云數(shù)據(jù)生成、DEM生成、DOM生成處理。空三加密是基于幾何特征與控制點三維空間坐標(biāo)值對所采集的具備航向重疊度和旁向重疊度的像片進(jìn)行平差處理來獲取加密點信息。點云數(shù)據(jù)生成是使用密集匹配算法對影響數(shù)據(jù)加以密集匹配、鑲嵌、勻光處理來獲取密集點云數(shù)據(jù)。DEM生成是在空三計算成果的基礎(chǔ)上獲取核線影響并引入特征點等信息來構(gòu)建三角網(wǎng)，在三角網(wǎng)內(nèi)插高程來生成DEM數(shù)據(jù)。DOM生成是使用反解算法與雙線性內(nèi)插法對數(shù)據(jù)分別進(jìn)行微分糾正與重采樣處理，以此獲取鑲嵌線來拼接測區(qū)模型正攝影像以生成標(biāo)準(zhǔn)樣圖。

2.4 大比例尺地形圖繪制

在大比例尺地形圖繪制環(huán)節(jié)，工作人員使用AreGIS等軟件，在軟件中導(dǎo)入內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中獲取的DOM等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型，在模型匯總中分析對比矢量化數(shù)據(jù)特征和地貌信息，選擇性地對三維模型進(jìn)行修飾處理，待處理完畢后將模型輸出，獲取真正射影像圖數(shù)據(jù)和實景三維模型數(shù)據(jù)，使用軟件自帶工具生成CAD圖紙，完成地形圖繪制任務(wù)。

2.5 地形圖更新

為了保證所繪制地形圖清晰明確，預(yù)防出現(xiàn)圖面失真的問題，在大比例尺地形圖繪制完畢后，需要開展地形圖更新作業(yè)，對已掌握的航測數(shù)據(jù)及所繪制的地形圖開展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與圖幅糾正操作，將地形圖、航測影像、地形圖更新區(qū)域和轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)判斷與線劃數(shù)據(jù)更新處理，再將更新數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯整理和檢查驗收，退回不合格數(shù)據(jù)及地形圖，在檢查驗收通過后進(jìn)入成果輸出步驟。

3 實際應(yīng)用案例

在某大比例尺地形圖測繪項目中，考慮到項目時間要求較為嚴(yán)格，需要在30d內(nèi)完成25km2的測繪任務(wù)，并繪制比例尺為1∶1000的地形圖，傳統(tǒng)航測技術(shù)的航飛審批流程較為煩瑣，最終選擇采用無人機(jī)航測技術(shù)。配置華測P700E航測無人機(jī)等設(shè)備，在測區(qū)內(nèi)以2～10個點位/km2的密度布設(shè)像控點，設(shè)定1000比例尺9cm地面分辨率和2000比例尺15cm地面分辨率，在現(xiàn)場安裝彈射架，采取彈射起飛的方式控制航測無人機(jī)起飛，在2h內(nèi)完成航測作業(yè)，持續(xù)監(jiān)測航高、飛行軌跡等參數(shù)。待航測完畢后，從無人機(jī)航測系統(tǒng)導(dǎo)出拍攝圖片，經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量評估后確定無須開展補(bǔ)測作業(yè)，使用空三軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，在立測軟件中測制地形圖，如圖1所示。

圖1 大比例尺地形圖航空測量

4 結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)航測技術(shù)作為一項全新的測繪技術(shù)，在大比例尺地形圖測繪項目中取得了顯著的應(yīng)用成果，測量精度與效率均得到明顯提升。因此，相關(guān)人員應(yīng)正確認(rèn)識到無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用價值，制定完善的技術(shù)應(yīng)用體系，以提高技術(shù)應(yīng)用水平，為測繪質(zhì)量的提高提供技術(shù)保障。