低空無人機(jī)航攝遙感測繪技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用分析

黃海鵬

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

我國目前各個地區(qū)的地勢變化速度與趨勢也在城市化建設(shè)步伐逐漸加快的基礎(chǔ)上快速提升，這也為相關(guān)的測試工作造成極大的難度。且隨著現(xiàn)代化科技持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，各種高新科技的應(yīng)用也為測繪行業(yè)提出了更高的要求。隨著測繪需求逐漸復(fù)雜化與多樣化，傳統(tǒng)測繪技術(shù)已無法保障測繪質(zhì)量與效率，現(xiàn)代化測繪技術(shù)在社會中受到廣泛關(guān)注，該技術(shù)的支持與使用，不僅有效提升測繪測量的效率和質(zhì)量，減少時間與資金的成本支出，同時也可更加直觀的觀察測量結(jié)果，保障結(jié)果的精準(zhǔn)與可靠性，進(jìn)而全面提升整體測繪工作的質(zhì)量。

1 低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)簡介與優(yōu)勢

無人機(jī)最開始是被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中的一種無人駕駛飛行器，或者是一種無線電遙控模式的飛行器，隨著其在20 世紀(jì)20年代被發(fā)明之后，經(jīng)過多年的創(chuàng)新與研究，也不斷提升其自身的性能和技術(shù)水平，應(yīng)用范圍也逐漸從軍事領(lǐng)域滲透到民用領(lǐng)域的各個行業(yè)中，如通信、氣相探測、災(zāi)害檢測以及農(nóng)藥噴射等方面[1]。將數(shù)碼相機(jī)搭載在無人機(jī)上，可以實現(xiàn)遙感平臺的建設(shè)，進(jìn)而形成無人機(jī)航攝系統(tǒng)。

無人機(jī)航攝系統(tǒng)也被稱為無人機(jī)遙感平臺，其屬于航空與衛(wèi)星遙感的有益補(bǔ)充，相比于其他的遙感手段有著其極其獨特的優(yōu)勢。無人機(jī)遙感平臺主要包含低空無人機(jī)與固定翼無人機(jī)等形式[2]。其中所研究的無人直升機(jī)其具備極強(qiáng)的抗風(fēng)能力、續(xù)航時間久、場地要求不高、良好的氣動性能和高度的荷載力等優(yōu)勢，在各種任務(wù)完成過程中有著十分重要的作用，十分適合長途遠(yuǎn)距離的航拍任務(wù)。而固定翼無人機(jī)本身結(jié)構(gòu)十分簡單，有著較低的使用成本，在航攝與控制過程中反映十分靈敏，能夠獲取大比例尺和高分辨率的航攝影像，彌補(bǔ)傳統(tǒng)航攝工作的一些缺陷。

2 低空無人機(jī)系統(tǒng)組成分析

低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)由飛行平臺系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)所組成，各個系統(tǒng)的內(nèi)部組成詳細(xì)內(nèi)容如圖1 內(nèi)容所示。

圖1 低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)組成

2.1 無人機(jī)飛行平臺系統(tǒng)

以固定翼無人機(jī)為例，其飛行平臺的相關(guān)參數(shù)如表1 內(nèi)容所示。

表1 飛行平臺相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計

2.2 數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)

在利用低空無人機(jī)進(jìn)行航攝過程中，所采取的相機(jī)主要包含兩種形式，分別為非量型與專業(yè)量測相機(jī)，但是目前在實際應(yīng)用中，非量測的相機(jī)應(yīng)用十分廣泛，但是由于其本身具備像幅度小、畸變差大的關(guān)鍵問題，因此在使用該種類型的相機(jī)期間需要對其進(jìn)行嚴(yán)格校驗。

在校驗相機(jī)機(jī)型過程中，檢驗內(nèi)容包括主要點位(x0,y0)、主距f0以及光學(xué)畸變系數(shù)。且在對相機(jī)校驗過程中都會利用一些特定的參考對象，選擇室內(nèi)與室外校驗控制的方式[4]。我們以室外檢定場為例，該場地長度約為74.9m，寬度約為26.2m，共有控制點數(shù)量421 個，四級高差在5.6m 左右。

其校驗的模型為（單位：像素）：

3 低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)與傳統(tǒng)攝影測量對比

3.1 攝影比例尺

攝影比例尺是傳統(tǒng)膠片相機(jī)拍攝期間常用一項內(nèi)容，該比例尺實施利用H/f 進(jìn)行計算的，且目前的航拍比例尺和傳統(tǒng)之間的關(guān)系應(yīng)如表2 內(nèi)容所示。

表2 成圖比例尺與攝影比例尺之間的關(guān)系

通常情況下數(shù)碼相機(jī)與膠片相機(jī)相比焦距較小，使用H/f計算得出的攝影比例尺過小，經(jīng)常性的造成影響誤導(dǎo)[5]。同時在相機(jī)像尺比因素影響下，使用數(shù)碼相機(jī)拍攝的比例尺實際上大于膠片相機(jī)，通常在3 倍左右，為6-15 倍成圈。因此為了防止二者出現(xiàn)混淆的問題，會選的GSD 概念來實現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)的拍攝工作。

3.2 空間視野與分辨率,如表3 所示。

表3 傳統(tǒng)遙感平臺和微型無人機(jī)空間分辨率與視野對比

3.3 低空無人機(jī)航攝遙感測繪技術(shù)的優(yōu)勢

3.3.1 實現(xiàn)靈活高效的測繪工作。無人機(jī)在低空飛行影攝期間，不僅要具備良好的機(jī)動性與，同時其有著較高的反映靈敏度，且可自動駕駛，不需要人工參與。所以在測繪過程中選擇低空無人機(jī)進(jìn)行航攝，不會受到風(fēng)霜雨雪等惡劣天氣影響，且在一些特殊的環(huán)境下也可實現(xiàn)精準(zhǔn)的拍攝作業(yè)[6]。另外無人機(jī)質(zhì)量輕，在拍攝期間具有較高的靈活性，這樣在其降落過程中不需要對其建設(shè)專用的場地，安裝和調(diào)試過程也十分便捷，實用性較強(qiáng)。

3.3.2 實現(xiàn)低空高分辨率的拍攝作業(yè)。在使用無人機(jī)進(jìn)行航拍過程中，其所拍攝的資料分辨率較高，在測繪領(lǐng)域中有著十分重要的應(yīng)用價值，且不會受到過多因素的干擾來保障其航攝精度，在現(xiàn)有的測繪工程中十分受歡迎，所以其利用率也相對較高。另外為人機(jī)體積較小，質(zhì)量輕，航攝作業(yè)期間有著十分高度的靈活程度，低空飛行時也不會受到云層的影響，進(jìn)而使其實際的航攝數(shù)據(jù)更加豐富和準(zhǔn)確，為后續(xù)工程控制奠定重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7]。一般在無人機(jī)飛行期間，其高度可以控制在50-100m 之間，其所能夠測繪的精度也可保持在0.1-0.5m 的范圍內(nèi)。另外在無人機(jī)上還搭載了一定的通訊器具，能夠利用該通訊設(shè)備來將其拍攝的相關(guān)數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)降孛娴挠嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)與中心中，利用相對應(yīng)的計算機(jī)軟件來處理數(shù)據(jù)，得到該地區(qū)的實際現(xiàn)狀與地質(zhì)情況，觀察其是否能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)工程的建設(shè)，其對于測繪數(shù)據(jù)的利用率提升有著十分重大的意義。

3.3.3 成本支出較低。在目前的測繪工程實施期間，在使用無人機(jī)過程中，由于其本身靈活性能較強(qiáng)，同時對于降落場地需求相對較低，因此不需要浪費大量的資金為其建設(shè)相關(guān)的場地供其降落使用，減少對土地資源的消耗和人力資源的支出。同時基于這種便捷、成本低的優(yōu)勢在各行業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。在實際航攝期間，其能夠抵抗的面積較小，為后續(xù)工作效率的提升和航攝結(jié)果的精度提升奠定重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 低空無人機(jī)航攝遙感測繪技術(shù)的實例應(yīng)用

4.1 工程概況

某工程為某城市機(jī)場高速專線兩側(cè)景觀優(yōu)化治理項目，為確保景觀優(yōu)化項目能夠高效順利開展，需要使用無人機(jī)航攝技術(shù)對高速沿線區(qū)域地理信息進(jìn)行詳細(xì)測繪，以得到精準(zhǔn)真實的地貌地勢信息，同時對征地拆遷范圍與居民建筑房屋面積等信息進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查分析，為景觀優(yōu)化工程提供真實有效的數(shù)據(jù)資料參考。該項目正式開展前使用無人機(jī)航攝技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)勘探，形成DLG、DOM 以及DEM 數(shù)據(jù)信息，從而得到分辨率較高、清晰度良好的攝影資料。整個勘查區(qū)域劃分成A、B、C、D、E五個地塊。隨后將B 地塊劃分成六個小地塊，將C 地塊劃分成兩個小地塊，將E 地塊劃分成三個小地塊。

4.2 設(shè)計航線

測繪區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與采取的設(shè)備狀況如表4 所示：

表4 測繪區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及采用設(shè)備的情況

4.3 布設(shè)像控點及測量

基于本工程的要求與需求，決定選擇區(qū)域網(wǎng)布設(shè)的形式來實現(xiàn)平面像控點的設(shè)置，在此期間需要明確的是，所有平面控制點位都選用平均高度控制點位的形式，隨后需要詳細(xì)分析航攝資料所具備的相關(guān)條件與其成圖的實際精度要求，以此對各像片控制點位之間的跨度、區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)大小等數(shù)據(jù)精確制定。基于本次項目需求與航攝要求，最終選用一對平高點、兩條飛行航線以及四條基線，設(shè)置4 個控制點位處于兩條航線與區(qū)域邊緣交叉重疊位置，且需要對其控制點的相關(guān)范圍進(jìn)行科學(xué)處理，布置在像片的中間位置。

4.4 空中三角測量

4.4.1 空中三角測量精度指標(biāo)

低空無人機(jī)航攝技術(shù)在實際測繪工作中會結(jié)合前后方交會從而計算得出加密點或特殊點位的空間坐標(biāo)，即空三測量法。實際測繪工作中空三測量的點位精確度極其重要，會直接影響到整個測繪工程?？杖郎y量的精確度能夠從以下兩方面進(jìn)行分析：首先，從理論角度分析，加密點坐標(biāo)改正數(shù)值能夠看成為隨機(jī)誤差數(shù)值，依據(jù)最小二乘平差函數(shù)關(guān)系以及協(xié)方差公式能夠計算出坐標(biāo)改正數(shù)值方差與協(xié)方差矩陣關(guān)系，從而有效計算出平差精確度。其次，可以將地面測繪數(shù)值看成為真實坐標(biāo)值，通過分析地面控制點位平差坐標(biāo)值與地面測繪坐標(biāo)值之間的數(shù)值關(guān)系，用多余控制點位坐標(biāo)值代替檢查點位與多余觀測值，能夠有效計算出平差精確度。理論精度主要是指觀測對象存在的誤差分布規(guī)律，誤差分布情況會受到區(qū)域網(wǎng)的實際網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與觀測精度等因素影響，通過分許研究誤差分布規(guī)律能夠?qū)刂泣c位以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行合理科學(xué)設(shè)計。在空三測量中常使用實際精度數(shù)值表示更加貼合事實的測繪數(shù)據(jù)，從理論角度來講，當(dāng)測繪數(shù)據(jù)不會受到不必要誤差影響時，可以將實際精度等同于理論精度。但是在實際測繪工作中實際精度與理論精度會存在一定的數(shù)據(jù)誤差，而不同的精度會導(dǎo)致平差模型以及觀測值出現(xiàn)不同類型的誤差。因此，測量平差過程中觀測多余控制點十分重要。

4.4.3 本工程空中三角測量具體過程分析

本次選擇Pixel-Grid 自動系統(tǒng)進(jìn)行空中三角測量，其中模型連接較差可采取下面公式進(jìn)行計算。

基于上述公式分析：△代表平面位置較差，單位為m；△Z代表高程較差，單位為m；m像代表像片比例尺分母；fk代表航攝儀焦距，單位為mm；b 代表像片基線數(shù)值。在控制像控點平面精度的全部過程中，還需要嚴(yán)格控制其與相鄰點位間的誤差情況，具體情況如表5 所示。

表5 基本定向點與檢查點殘差、公共點較差最大限值標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

在航攝測繪過程中，由于航攝影像會受到居民建筑等因素影響，進(jìn)而導(dǎo)致部分航攝影像出現(xiàn)相對密集的陰影問題，且房屋建筑具有較多隱蔽性，因此基于現(xiàn)狀分析，可以將高程誤差精度與平面誤差精度分別設(shè)置為0.75 倍與0.5 倍[9]。結(jié)合本次測量后的結(jié)果，能夠明確得出測量區(qū)域空三測量加密精度，與表5中數(shù)據(jù)對比能夠得出結(jié)論，本次測量符合標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 處理影像數(shù)據(jù)

現(xiàn)階段我國測繪領(lǐng)域常用影像信息處理系統(tǒng)主要包括DPGrid 與Pixel-Grid，結(jié)合無人機(jī)航攝過程中采集到的大量影像資料，使用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行專業(yè)處理，從而制作DEM 與DOM。在實際工作開展期間，首先需要利用智能數(shù)字系統(tǒng)對測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，同時結(jié)合匹配技術(shù)獲得三維DSM 點云信息數(shù)據(jù)，隨后對相關(guān)數(shù)據(jù)分類歸納與計算處理。但是需要注意的是，測繪結(jié)果會受到部分干擾信息影響，因此需要將這些干擾數(shù)據(jù)剔除后計算DTM，內(nèi)插獲取規(guī)格的格網(wǎng)DEM 成果。最后對整個信息資料進(jìn)行檢查編輯，提升整個測繪成果的質(zhì)量與精度。

5 結(jié)論

綜上所述，基于上述對無人機(jī)的相關(guān)特點與優(yōu)勢的分析，本文基于實際測繪工程應(yīng)用案例探討低空無人航攝遙感測繪技術(shù)的實際應(yīng)用。本身無人機(jī)其具備成本低、靈活性高、精度高等優(yōu)勢，可實現(xiàn)超低空航攝作業(yè)，在航攝獲得相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)之后，可將其傳入到計算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理，進(jìn)而提升整個測繪過程與結(jié)果的精度與可靠性。基于目前測繪領(lǐng)域的高速發(fā)展，低空無人機(jī)具有著極大的推廣價值。此時則需要相關(guān)技術(shù)人員，基于目前測繪工程現(xiàn)狀分析，不斷研究新的航攝技術(shù)，不斷提升影像精度與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也為測繪工程的未來發(fā)展奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。