淺談無人機(jī)航測技術(shù)優(yōu)勢以及測繪工作中的應(yīng)用

摘 要：近些年我國的測繪技術(shù)取得了重大的進(jìn)展，對提高各種建設(shè)項目的質(zhì)量起到了積極的推動作用。以地形圖測繪為案例分析無人機(jī)航測技術(shù)在測繪工作中的優(yōu)勢以及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：測繪工程；無人航測技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：P237" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）03-0090-03

0 引言

近些年，隨著城市規(guī)劃改造、農(nóng)村集體土地使用、建筑工程的細(xì)致規(guī)劃，人們對于大規(guī)模地形影像技術(shù)的要求與日俱增。傳統(tǒng)測量工作類似地形圖等測量主要依靠人工方式或使用全站儀、GPS-RTK系統(tǒng)等裝置在室外手工采集資料，經(jīng)內(nèi)業(yè)成圖。但這些模式具體作業(yè)周期長、生產(chǎn)力低、成本高、人力強(qiáng)度高，無法滿足當(dāng)前高效的生產(chǎn)需求。

提高作業(yè)效率、減少生產(chǎn)費用、降低現(xiàn)場工作負(fù)荷，是目前測繪工作進(jìn)一步開展的迫切需求。在測繪工作中采用無人機(jī)航測技術(shù)生成實景三維模型，不僅在像控點規(guī)范布設(shè)下能達(dá)到傳統(tǒng)測量工作的精度要求，而且可以使測圖范圍提高多倍以上。

1 無人機(jī)航測技術(shù)概述

無人機(jī)航測技術(shù)是基于無人機(jī)低空遙感技術(shù)突破而來的一種新型測繪技術(shù)。在實踐中，高頻率用到的裝置分別為無人機(jī)和能夠安裝于無人機(jī)中的相應(yīng)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。其操作原理是憑借著無人機(jī)本身的機(jī)動性和靈活性，讓攝像機(jī)在任何角度和任何范圍內(nèi)進(jìn)行攝影，全面地搜集各種測量目標(biāo)的各項數(shù)據(jù)。為確保這項技術(shù)的應(yīng)用效果，所選擇的無人機(jī)和攝像頭通常都要求有很高的實際性能，與此同時，測繪工作者必須精通使用無人機(jī)裝備的技術(shù)[1]。當(dāng)前，我國的無人機(jī)測航技術(shù)，總體技術(shù)水準(zhǔn)較高，可以很好地滿足不同的自然環(huán)境。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

無人機(jī)航空攝影控制系統(tǒng)通常由航空器站臺、重要作業(yè)裝備、地面管制站、發(fā)送與加工控制體系等構(gòu)成。例如，大疆M210RTK多旋翼平臺、空中監(jiān)測模塊搭載X5S攝像機(jī)、空中制控系統(tǒng)使用大疆DJIGSPRO、DJIGO4空中監(jiān)測控制系統(tǒng)，信息處理使用清華山維EPS三維測圖軟件、ContextCapture等處理軟件[2]。應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，可以充分發(fā)揮其自身的優(yōu)點，對比較精密的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在大量數(shù)據(jù)工作狀態(tài)下，可以滿足需求。

無人機(jī)航測工作流程大致為外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)處理兩部分。其中，外業(yè)測量主要包含：①前期規(guī)劃踏勘；②對項目范圍和航拍參數(shù)、航線規(guī)劃；③像控點布設(shè)；④無人機(jī)航拍；⑤外業(yè)調(diào)繪。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程包含：①數(shù)據(jù)檢查；②空三加密；③生成三維模型建立；④繪制數(shù)字線劃圖。

3 無人機(jī)航測技術(shù)優(yōu)勢分析

3.1 影像數(shù)據(jù)分辨率高

無人機(jī)航空測繪技術(shù)是結(jié)合無人機(jī)技術(shù)、GPS定位系統(tǒng)技術(shù)、攝影技術(shù)中一種新的測量技術(shù)，立足于低空飛行，采用高解析度攝影技術(shù)。就當(dāng)前的無人機(jī)航空測繪技術(shù)來說，無人機(jī)在飛行試驗中采集的圖像資料可以達(dá)到厘米級的分辨率。與常規(guī)的地面測繪技術(shù)相比，無人機(jī)航測技術(shù)的使用范圍更為廣闊，能夠到達(dá)傳統(tǒng)的地面測量技術(shù)所不能到達(dá)的區(qū)域，而且獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，降低了由于地面測量員操作飛行器所造成的誤差。近年來，無人機(jī)測繪技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探、大面積地質(zhì)測量等領(lǐng)域都得到了普遍的應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)獲取效率高

常規(guī)的測量技術(shù)需要大量的人力、物力資源，而且，采集到的測量資料的期限太久，極大地降低了試驗效益。無人機(jī)航空測繪技術(shù)無需復(fù)雜的人力操作，其優(yōu)點是靈活方便，數(shù)據(jù)完整性高，外業(yè)工作時間較少，適用范圍廣，可大幅度增加測量的效率，減少測量費用，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益，具有極高的前景價值[3]。

3.3 社會經(jīng)濟(jì)效益強(qiáng)

采用無人機(jī)測繪技術(shù)的成本比較低廉，并且這項技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、計算機(jī)等領(lǐng)域相融合。有關(guān)人員在運用無人機(jī)的空中測繪技術(shù)時，不但能高效地搜集航空資料數(shù)據(jù)，還能極大地提高了民用無人機(jī)測繪技術(shù)的社會效益。另外，在低空時，無人機(jī)航測技術(shù)可以在很大范圍內(nèi)獲取航空攝影資料，極大地縮短了測定時間，節(jié)約了測繪時間，而且其測定更加準(zhǔn)確，為快速發(fā)展的現(xiàn)代測量技術(shù)進(jìn)一步打下堅實的基礎(chǔ)。

4 無人機(jī)航測技術(shù)在測繪工作中的應(yīng)用

4.1 復(fù)雜環(huán)境中的運用

在進(jìn)行地形測繪的實踐中，往往會遇到地形、環(huán)境等外界干擾而造成一些突發(fā)影響。而在無人機(jī)航測方面，上述問題都可以得到很好的處理，這項技術(shù)不受地形和周圍環(huán)境的限制，或者說具體影響可忽略不計，因此可以獲得更加明確的數(shù)據(jù)，保證了地形測繪工作更加精準(zhǔn)的順利進(jìn)行。

另外，在應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)的同時，也可以進(jìn)一步提升工作人員的人身安全保障。因為在實際飛行中，無人機(jī)不需相關(guān)人員進(jìn)行實時追蹤，可以通過遠(yuǎn)程控制設(shè)備來控制無人機(jī)，即使是在極其惡劣的條件下，亦不會對有關(guān)工作人員本身的人身安全構(gòu)成威脅。由于飛行器的體積比較小，可靈活操控，因此即便是在相對狹窄的空間內(nèi)也能順利地進(jìn)行測繪，從而有效地保障地形測繪工作的效率和質(zhì)量[3]。

4.2 低空航拍系統(tǒng)下運用

在航拍低空環(huán)境時，航空攝影經(jīng)常需要高分辨率和準(zhǔn)確的照片。采用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行低空航拍，可以獲得精確、清晰的航攝影像。而采用計算機(jī)相關(guān)的校驗制度，則可改善在低空條件下的照片的清晰程度。在進(jìn)行低空航拍的過程中，利用無人機(jī)航測技術(shù)，不僅可以獲得準(zhǔn)確的地面信息，而且可以充分發(fā)揮航空技術(shù)的獨特功能。將無人機(jī)航測技術(shù)運用于實際測繪工程中，不僅可以使測繪更加準(zhǔn)確，其具體工作也更加具有現(xiàn)實意義，而且對城鎮(zhèn)化建設(shè)也具有重大意義[4]。

4.3 土地管理領(lǐng)域的運用

我國土地資源遼闊，尤其是鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)區(qū)域，往往擁有著極其廣闊的土地資源。利用無人機(jī)航測技術(shù)，可以對一批區(qū)域土地資源進(jìn)行實時、高效的測繪。這對了解到基礎(chǔ)的土地資源現(xiàn)實狀況，提高土地資源的有效使用具有重要意義。例如：在對農(nóng)民進(jìn)行土地的確權(quán)登記時，在無人機(jī)測繪技術(shù)的幫助下，可以精確地掌握每戶的土地面積，為有關(guān)部門的工作人員提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)信息。

另外，在進(jìn)行土地確權(quán)工作過程中，因為地形險峻，會對有關(guān)工作人員造成很大的困難。而采用無人機(jī)航測技術(shù)，就能夠在這些險峻的地區(qū)實現(xiàn)科學(xué)、高效的測繪工作，減少險峻環(huán)境下工作的危險，進(jìn)一步有效地改善工作的品質(zhì)。

合理科學(xué)地應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，在確保有關(guān)工作人員生命安全的前提下，進(jìn)一步有效節(jié)省大量的人力、財力、物力和時間，有助于我國國土資源部構(gòu)建具有強(qiáng)動態(tài)特性的土地資源管理體系，有助于提高土地資源的科學(xué)化管控效率[5]。

4.4 信息的收集與整理

應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行圖像采集時，為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行信息收集和對應(yīng)處理，確保影像數(shù)據(jù)與國家國土整治對象識別要求相一致。在管理相應(yīng)的航拍影像數(shù)據(jù)時，利用 PhotoScan、CC等影像處理技術(shù)以及相應(yīng)加工軟件對大量航空攝影影像資料進(jìn)行處理、拼接，從影像中提取出具體坐標(biāo)及有關(guān)片段，再結(jié)合真實的地理地貌特點，進(jìn)行影像資料的整合，為有關(guān)人員的評估和使用提供參考[5]。

5 無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用流程及地形測繪案例分析

5.1 設(shè)備的檢查校正

在將無人機(jī)航測技術(shù)真正運用以前，工作人員需要事先做好前提安排以及了解關(guān)于無人機(jī)操作的全面注意要點。具體包括以下4個方面：第一，進(jìn)行綜合化和計劃性的無人機(jī)檢查工作，檢查有無任何異常狀態(tài)，有無任何零件丟失損壞和其他相關(guān)問題。第二，認(rèn)真地對攝像機(jī)進(jìn)行檢測作業(yè)，攝像頭真實圖像的清晰性是必需的。在數(shù)據(jù)收集的各個環(huán)節(jié)的同時，也有必要進(jìn)行一些修正工作[6]。第三，在航測以前，還要根據(jù)測量的時機(jī)和位置來進(jìn)行科學(xué)、合理的匹配。有關(guān)工作人員要對周邊的特殊環(huán)境有足夠的了解，根據(jù)整個狀態(tài)，確定無人機(jī)的運行狀態(tài)。保證在使用無人機(jī)過程中，盡量避免因陽光過于耀眼或雨、霧天光線問題導(dǎo)致拍攝出來的影像圖發(fā)白、發(fā)灰等問題。第四，合理設(shè)置測圖比例，以此避免在具體應(yīng)用時進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算和匯總工作中出現(xiàn)錯誤，有效地確保信息的準(zhǔn)確性。

5.2 航線規(guī)劃

在具體進(jìn)行航線設(shè)計規(guī)劃時，工作人員要注意在現(xiàn)實中無人機(jī)具體飛行高度和速度，要盡可能早的決定航線。同時還需要結(jié)合無人機(jī)自身的飛行控制體系，以此保證無人機(jī)在合適的位置上進(jìn)行控制。與此同時，要充分注意攝像裝置所得到圖像的清晰程度以及各個區(qū)域的對應(yīng)高度差異，以避免在真實的飛行過程中無人機(jī)與某些其他物體發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致各種儀器裝置出現(xiàn)故障。在進(jìn)行飛行試驗時，工作人員必須保證作業(yè)流程是正確的，以此保證實際航測高精度性和高可靠性。

5.3 控點布設(shè)

在具體應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)的途中，工作人員必須與現(xiàn)實相聯(lián)系，控制點位的正確布置，合理劃分整體項目。在某些具有差異的地方，必須通過定點的方式來進(jìn)行，確定實際距離間隔，以此分別設(shè)置對應(yīng)的采集點。基于此與現(xiàn)實狀態(tài)，最終確定其實際的收集點數(shù)。就定點測量方式而言，其是測量工程中重要的測量方法，在具體實踐中，工作人員可以預(yù)先把項目分成幾個區(qū)段，如果項目中出現(xiàn)峽谷、高地之類區(qū)域，要根據(jù)實際情況以及測量規(guī)范進(jìn)行科學(xué)、合理規(guī)劃[7]。

5.4 數(shù)據(jù)整理

在無人機(jī)航測工作結(jié)束后，工作人員必須導(dǎo)出所收集的資料，并進(jìn)行資料的預(yù)覽工作。在實際操作中，工作人員要真正了解各種地形的特定比例，并完成標(biāo)度校驗，同時對圖像信息和航拍定位進(jìn)行及時處理，根據(jù)特定對應(yīng)的傾斜度或者是按航線進(jìn)行調(diào)校。

在此期間，工作人員應(yīng)當(dāng)將事先決定的控制地點的布局完全當(dāng)作基礎(chǔ)，由此決定一個新的工程，并在此基礎(chǔ)上建立對應(yīng)的坐標(biāo)圖。利用專用的軟件對項目的實際定位和有關(guān)資料進(jìn)行高效的整理和比對，期間必須仔細(xì)地計劃和對設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行精確的控制，構(gòu)建一個科學(xué)、合理的空間系統(tǒng)，然后在繪圖制圖中以及色彩校正還有圖片編輯中對航測結(jié)果進(jìn)行合理而高效的組織。

6 案例分析

以江蘇某農(nóng)村1：500的基礎(chǔ)地形圖測繪項目作為案例分析。該工程的地形測繪面積0.17 km2，測區(qū)內(nèi)地形主要以河流以及平地為主，房屋較少且獨立清晰。因為該區(qū)域河流、斜坎較多綜合地形偏復(fù)雜。因此，傳統(tǒng)測繪方式不但施測困難、作業(yè)效率低下，而且存在安全隱患。

鑒于此，本工程通過無人機(jī)傾斜攝影對該區(qū)域進(jìn)行航攝，并在后期采用RTK設(shè)站全站儀測量的傳統(tǒng)方式對測區(qū)內(nèi)數(shù)棟房屋房角點共23個進(jìn)行檢驗復(fù)測。本項目無人機(jī)采用FEIMA-D200搭載五鏡頭航測模塊，飛行高度200 m，飛行天氣避開陽光較強(qiáng)烈的晴天和雨、霧天，航向、旁向重疊率為80%，航速5 m/s，共飛行16架次。對部分存在遮擋位置使用RTK、全站儀等儀器進(jìn)行補(bǔ)測，并對部分區(qū)域高程點進(jìn)行補(bǔ)測以及加密。像控點均勻布設(shè)于測區(qū)邊緣柏油道路及測區(qū)內(nèi)部分硬化場地上，采用油漆刷L型記號，RTK數(shù)次采集L型記號角點，采集點位較差±1 cm。本次項目共設(shè)置27個像控點，實際使用26個。

根據(jù)內(nèi)業(yè)航測處理后數(shù)據(jù)，測繪人員使用EPS加載傾斜模型繪制出地形圖，并與全站儀采集的23個房角點數(shù)據(jù)做對比，其中X方向誤差在±5 cm內(nèi)的占17個，Y方向誤差在±5 cm內(nèi)的占18個，有2個X、Y方向誤差都在±5 cm以上，4個X方向誤差在±5 cm以上，3個Y方向誤差在±5 cm以上，符合偶然誤差分布規(guī)律。本項目航測外業(yè)依賴度較低，外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間較短，作業(yè)效率相比傳統(tǒng)測繪方法有顯著提升，作業(yè)精度符合規(guī)范。

7 結(jié)語

目前，無人機(jī)技術(shù)已展現(xiàn)出巨大的航測優(yōu)勢，雖說在建模階段對計算機(jī)硬件有著較高的需求，并且處理時間可能較長，但是其效率相比傳統(tǒng)地形作業(yè)方式依然優(yōu)勢明顯。技術(shù)工作者應(yīng)加強(qiáng)對無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用，以更好地提升航測工作的效能及服務(wù)品質(zhì)，為各項測繪工作的有效開展提供保障。另外，采用無人機(jī)航測技術(shù)，可以對更多的資料進(jìn)行更精細(xì)的處理。未來，無人機(jī)航測技術(shù)將會進(jìn)一步發(fā)揮其獨特價值，不斷提高測量精度，在測繪工作方面發(fā)揮更大作用。

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