無人機航測及地理信息技術在地形測繪方面的應用

劉慶林

(安徽省地礦局311地質隊，安徽 安慶 246003)

地形測繪是對測量區域的地形、地物等的相對位置在水平面上的投影和高程進行測量，并按一定的標記和符號，以特定的比例繪制成地形圖的過程，其成果廣泛應用于工程建設、地質勘探、礦山開采、城市規劃、用地分析及軍事等多個領域。地形測繪發展初期，主要使用測繪儀等進行人工定位測量并繪制圖件，隨著遙感技術、全球定位系統技術及計算機技術的不斷發展，地形測繪工作開始利用衛星及機載測繪系統開展，自此無人機航測技術應運而生并發展壯大，逐漸成為現階段最常見地形測繪技術[1]。利用無人機航測技術，能快速、精準、高效地獲取測量區域的地理信息數據，極大地提高了地形測繪的工作質量和效率。

1 無人機航測及地理信息技術

1.1 地理信息技術

地理信息技術是集地理信息系統、全球定位系統、遙感系統于一體的空間信息系統。其中，地理信息系統是借助計算機的支持，對測量區域的地理信息數據進行采集、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統；全球定位系統是利用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統)衛星結合通信技術，采用距離交會原理實現目標坐標、高程的精準確定的技術；遙感技術則是以航空航天設備、攝影技術為基礎，利用其搭載的遙感器收集測量區域的地理信息數據，進而獲取遙感數據的技術[2]。以上技術相互配合、相輔相成，可廣泛應用于地形測繪領域，減少測繪野外作業時間，降低測繪難度，提高地形測繪的效率和精度。

1.2 無人機航測技術

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)航測是航空攝影測量的一種，主要面向低空遙感領域，其發展得益于無人機技術及數碼相機技術的快速發展，航測無人機可分為固定翼無人機(見圖1)、旋翼無人機和復合翼無人機，通常由飛行器和遙控器(見圖2)組成，具有成本低、精度高、快速高效、靈活機動、適用范圍廣等特點。其中，固定翼無人機靠動力設備產生的推力經機身固定機翼產生升力，作業時需要以較快的速度保持飛行姿態，其缺點是無法在空中隨時懸停，其特性導致作業時無人機距測繪目標較遠，獲取的遙感影像分辨率較低；旋翼無人機是由其旋翼相對機身旋轉而產生的升力保持飛行，三個旋翼以上的無人機稱多旋翼無人機，可在空中懸浮，近距離拍攝測繪目標，拍攝獲取的遙感影像分辨率高，其缺點是作業時長及速度較固定翼無人機低；復合翼無人機又稱垂直起降固定翼無人機，其動力設備既包含固定翼也包含旋翼，集二者的優點于一體，同時解決了固定翼無人機起降難的問題。無人機航測在小范圍內測繪工作效率更具優勢，廣泛應用于地形測繪、工程建設、土地資源調查、地質災害應急處理、城市數字化建設、新農村及小城鎮建設等方面。

圖1 固定翼無人機

圖2 多旋翼無人機

2 無人機航測技術的特點

2.1 無人機航測作業成本低

傳統的人工測量技術主要利用衛星測繪，就同樣的測量區域而言，其所需人員、地形測繪費用約是無人機航測的10倍左右，工期則是無人機航測的2倍左右。而無人機航測設備一經采購，其使用壽命較長，維護成本較低，測繪作業所需人工少、效率高，能有效地節省野外測量時間，從各方面來看，經濟成本較人工測繪都有明顯的優勢。由于無人機航測的作業周期短、測繪費用低，可極大地提高相關企業的核心市場競爭力，有助于企業擴大業務量，獲得良好的經濟效益。

2.2 無人機航測快速高效

采用無人機航測進行地形測繪時，工作人員可按測量區域實際情況設定無人機飛行路線，優化各項設置，合理控制無人機，使無人機在最優狀態下垂直或傾斜采集測量區域的地理信息數據，現場作業時間短，獲取影像數據高效便捷，能及時對測量區域的地理信息數據進行有效的分析和控制，快速高效地完成地形測繪任務，特別是在大比例尺的地形測繪作業中，能較好地完成質量控制，極大地降低測繪技術人員的工作強度，提高地形測繪的工作效率。

2.3 無人機航測機動性強

傳統測繪現場作業時，其高程點需人工到位測量，某些區域如地形險峻、河流湍急、濕地等區域，人工測量難以滿足測繪作業需求。這時無人機的機動性強、反應迅速、全面覆蓋的優勢就完全體現了出來，而且其體積小，單人即可攜帶運輸，現場作業操作簡單，對操作場地和周邊氣候環境等方面的要求也不高，如多旋翼無人機隨時隨地可完成起飛作業任務，并根據現場實際信息接收情況，對有疑慮的測繪區域及時補測；遇到現場工況確實比較差的情況，無人機也可靈活暫停作業，待現場工況符合作業條件后，繼續開展后續的地形測繪工作。

2.4 無人機航測精度高

對于人工測量中無法到達的區域，常規測繪作業中常見的測點間隔過大等情況，都是影響最終地形成圖精度的主要因素，無人機航測可無視絕大多數不利環境進行測繪作業，全方位獲取測量區域地理信息數據[3]。目前的無人機航測設備均配備精度極高的高清影像設備，在測繪作業中能快速清晰地獲取測量區域的地理信息數據，獲得的數字影像分辨率高，并且影像中包含了坐標信息即地形測繪所需的重要信息，為地形成圖提供高精度的原始資料。同時無人機航測具備高協調性，可同時結合衛星遙感、航空測繪數據，及時與地面控制系統形成互動，及時修正有誤差的影像及數據，極大地保證地形測繪數據的精度和質量。

3 當前無人機航測存在的不足

無人機航測技術與地理信息技術結合后獲得了快速發展，其優點不言而喻，但同時也存在一定的不足。例如多旋翼無人機總體質量較小，高空風力會對無人機航測作業產生不利影響，造成其飛行不夠平穩，導致最終獲取的影像數據的清晰度降低；另外無人機設備傳感器發展仍存在一定的缺陷，精度不夠高，因而影響了航測數據的精準性；同時電子通信技術也是影響無人機航測精度的因素之一。為了提高無人機航測數據的準確性和可靠性，還必須科學規范地開展航測工作。

4 無人機航測技術在地形測繪中的應用

4.1 像控點布設的應用

利用無人機航測進行地形測繪時，像控點布設尤為重要，其布設質量直接關系著測繪質量的高低，因此需要科學合理地布設像控點。無人機航測像控點設置可按測量區域均勻布設，各像控點間應有一定的幾何強度，布點應滿足規范要求的密度，盡量選擇方便查找處理的位置，如房屋角點、斑馬線角點、地物交叉點等，當無明顯地物或地標時，可以人工噴漆等方式進行標記布點，像控點布設位置應選擇清晰易識別、固定不移動、平整無陰影、無外物遮擋的區域。像控點布設的密度應結合測區地形和測繪精度要求確定，對于地形地貌較為復雜的區域，需要適當增加適量的像控點。對于像控點的坐標及高程采集，精度需控制在5 cm以內，通常使用較多的是RTK(Real-Time Kinematic，實時動態定位)方式，在此期間，應保證RTK接收機與無人機網絡接入點、端口等一致，以保證獲取數據準確可靠。在后期室內資料處理時，可用相關軟件導入像控點坐標信息，對控制點進行刺點，對影像數據中不滿足要求的像控點進行適當的調整。

4.2 空中三角測量的應用

空中三角測量也稱為攝影測量加密、空三加密，其原理是利用已知的像控點坐標，利用攝影測量解析法求解所有影響的外方位元素，要求每個模型的已知點不小于4個。目前大量使用的全自動處理的GodWork空三軟件，利用獲取的影像自動匹配航向和旁向的像點，并對影像根據外業控制點進行數據處理校準，求得像片的外方位元素，再利用雙像或對像空間前方交會法，獲取全部加密點的地面坐標數據。在無人機航測作用時，獲取的是多個獨立的影像，其之間靠連接點來實現，因此除了無人機航測設備的精度、坐標量測系統、現場作業人員的水平之外，影像間連接點的測量精度也在一定程度上決定了地形測繪成果的質量。

4.3 補充測量的應用

在測量區域具體的地形測繪過程中，可能存在無人機航測的盲區，這就要求測量人員根據測區的實際情況分析，科學合理地布置無人機航線及像控點，保證不能遺漏，確保獲取的航測數據的完整性，同時應及時地對獲取的影像數據進行校核，對出現遺漏的區域及時進行補充測量，同時也可以采用外業調繪的方式，對初步形成的地形資料進行檢驗分析，以減少和消除誤差，更好地保證地形測繪的準確性和可靠性。

5 結束語

隨著科學技術水平的快速發展，地形測繪行業在無人機航測領域取得了重大進步，其相對于傳統測繪技術，具作業成本低、工作效率高、測量精度高等諸多特點，極大地提高了測繪工作的質量和效率，是一種可大力推廣應用的新型測繪技術，為測繪行業的健康可持續發展注入了新的活力。