無人機低空攝影測量在城市測繪保障中的應用前景探究

［關鍵詞］無人機；低空攝影測量；城市測繪

從現代航空器的發展趨勢來看，體積較小、飛行距離較遠的飛行裝置以一種嶄新面貌走進市場，無人機的應用范圍十分廣泛，提高了工作效率，尤其在民用領域起到的積極作用十分顯著。在城市測繪方面，由于城市面積較大，若不采取科學方式，很容易造成遺漏，影響測繪質量。而無人機裝置能夠有效解決地質勘探、城市測繪以及農業保障等方面問題，即使面對林立的高樓也能夠準確測量。

1. 無人機測量技術的應用現狀

無人機在開展低空攝影測量過程中，通常以捕獲高分辨率的數字圖像為執行目標，無人機作為小型的飛行平臺，內部設置了高分辨率的數碼相機作為感測系統，并充分結合GPS、RS、GIS三種技術，獲得了具有大尺度、高色彩等突出特點的航空遙感數據。由于無人機低空攝影測量技術能夠以非常快速且準確的方式獲取地理數據、信息，所以無人機在民用領域的應用范圍十分廣泛。該技術能夠依據地域信息進行測繪，正射影像能夠為制作地物模型提供參考，大大提高了工作效率。無人機低空攝影測量技術的應用受天氣影響較小，能夠在規定時間內確保測繪信息的完整性，同時，在體積、質量都相對較小的前提下，該裝置的機動性和靈活性非常強，一定程度上避免了障礙物造成的移動影響。

無人機若從任務高度劃分，可以分為低空、超低空、中空、高空以及超高空無人機。基于此，針對城市測繪，低空無人機具有更好的適應性和應用前景。

無人機低空攝影測量技術突破了對復雜的城市環境進行測繪的工作瓶頸，在人員安全性方面有著較高保障，投入成本也能控制在較低范圍內，而衛星測繪成本相對要高。從2019年地理信息論壇數據中可以看出，全世界開展無人機測繪國家在40個以上，較為發達的國家掌握的無人機測繪技術類型十分豐富，為100種以上。無人機能夠與地理信息系統進行技術融合，將測繪形式創新，促使測繪結果精確的同時，也能夠適應更加復雜的地理環境，在全球范圍內逐步形成測繪保障的關鍵形式之一。

無人機在進行低空飛行過程中，飛行高度要控制在50～1000 m之間，確保飛行高度的合理性，避免導航出現運作問題造成測繪數據不準確。一般來看，對于近程的航空攝影測量技術而言，攝影精度能夠達到亞米級，整體的測量精度范圍也能控制在0.1～0.5 m 之間，完全符合1∶1000的成圖需求，在有關城市建設的測繪準確率方面也能夠達到較高水平[1]。

2 無人機低空攝影測量技術的主要特點分析

2.1 高分辨率

從當前無人機低空攝影測繪技術的應用特點來看，普遍飛行高度能夠控制在50～1000 m之間，這種飛行高度能夠拍攝實物進行更為精確的畫面捕捉，將拍攝分辨率提高，無人機的近景拍攝分辨率控制在0.1～0.5 m之間，符合城市測繪對分辨率的需求。無人機測繪流程如圖1所示。

2.2 低成本

若將測繪精度進行同步控制，那么無人機的測繪成本要比衛星測繪等方式低很多，可體現在以下幾個方面：

2.2.1.飛行成本

無人機的飛行成本是衛星遙感成本的1/300，同時是普通航拍成本的1/25左右。

2.2.2.維修成本

無人機內設置的測量系統的維修與保養成本遠比衛星測繪以及航拍飛機低廉，尤其在人力資源的投入方面，無人機維修較為簡便。

2.2.3.專業人員培訓成本

航拍飛機的專業人員培訓成本較大，并且飛機運行成本比較大，相比較而言，無人機的遙控操作在學習難度方面較小，整體的培訓難度相對較小，節省培訓成本。

2.3 測繪效率明顯提高

與衛星遙感測繪技術和航拍技術相比，無人機在不同地理環境的適應程度較高。一般來看，不論是衛星測繪還是中低軌道衛星測繪或飛機航拍技術都會受到云層的影響，一旦云層較厚，則無法繼續測繪，無人機低空攝影測量不會受到云層的影響，大大提高了測繪效率。

2.4 測繪周期較短

由于中低軌道衛星測繪技術在過頂時間方面有間隔需求，并且會受到起飛位置與空中管制等方面的影響，拍攝無法持續。而無人機在保證電量充足的情況下，能夠24 h持續穩定測繪，同時，能夠設置多架次無人機或開展多批次聯合測繪，在傳輸信息的過程中充分利用共享技術和拼接技術，將無人機測繪的區域地理信息精準度提高，同時，在單位時間內，無人機的測繪面積占據非常大的優勢。

2.5 操作安全性較高

無人機的主要操作方式為遠距離人工遙控，產生的危險非常低，并且不會受到測繪區域的環境困擾。從無人機的研發情況來看，當前較為主流的無人機通常具有全向穩定的特點，并能夠對降落點進行提前設置，當無人機到達該區域后可以進行自動降落，同時，無人機在操作期間若出現斷電情況也能夠觸發回位功能，使得該裝置可以適應更加多樣的環境。即使在惡劣天氣下，也能夠正常執行任務，保證攝影測繪質量。若無人機裝置受到障礙物影響發生斷電，無人機內部系統能夠觸發降落點的感應系統，返回起飛位置，既保證了測繪區域的安全，也能夠在最大程度上保護測繪數據遭受破壞，降低數據風險。還有，由于無人機輕便，機動性較高，面對城市內部的障礙，例如輸電線路或立交橋等可以進行及時躲避，并將測繪范圍擴大，更加適應位于山地、丘陵的城市[2]。

3. 無人機低空攝影測量技術的應用分析

3.1 圖像數據的處理

在無人機內部，針對低空攝影功能增設了圖像處理數據流，這是為了促使測量數據的準確性能夠達到城市測繪標準，所以，將該功能應用在數字高程模型后，可以對其設置目標并開展規劃。無人機在飛行期間所獲數據需要進行初步處理，也就是對圖像數據的靜態化處理，會將原有的數據轉化為DEM/DOM信號，只有經過處理的數據信息才能傳輸至控制器。然后，通過低空遙感平臺中的數據采集功能，下載GPS/POS數據進行智能處理，最后通過GPS/POS系統得到具有高度精確性的圖像。在稠密匹配技術的輔助應用下生成DLG圖像。為有效解決攝影與數據處理的聯合工作問題，技術人員可以通過平差法予以處理，該方法需建立在數據處理中心的計算基礎上，將各類數據的準確性予以提高后，通過濾波將冗余的數據點濾除，避免造成計算結果誤差較大。圖像處理流程如圖2所示。

在進行圖像數據處理過程中，關鍵任務在于進行靜態處理并生成。通過對圖像數據的處理，可以得到精確的成圖數據。數據處理流程如圖1所示。無人機低空攝影測量技術的有效應用十分關鍵，在部分無人居住的區域，通常會在圖像處理期間出現圖像重疊、照片數量較多、角度方向不一致等方面的問題，使得圖像在匹配過程中無法自動連接。隨著當前圖像匹配技術的完善，原有的匹配方式逐步成熟，針對無人區的低空圖像測量，關于圖像數據的處理技術類型十分豐富，大大提高了圖像匹配準確度，也對測繪工作起到促進作用。

3.2 區域測繪

在對城市信息數據進行測量期間，無人機裝置能夠根據城市地理信息情況生成3D模型，實現數據信息的立體化接受，確保地理數據或信息的來源準確。例如，山體高度的測量工作中，無人機能夠通過技術應用提高測量精確度，并減少測量環境影響[3]。

3.3 應急監測

在無人機低空攝影測量技術應用和研發期間，由于該技術的高效性、安全性等特點十分明顯，我國對于此類技術的重視程度較高，并在部分工程中加大了應用效率，該技術對土木工程和防洪工程能夠帶來積極作用，尤其對水位的監控，具有高度實時性，技術人員可以對上傳數據的時間點進行設置，單位時間內測出數據后第一時間傳輸，為防洪做好準備。尤其在應急定位方面功能非常強大，在確保定位的精準性后，可以大大提高應急效率。除此之外，無人機還能夠對數據點進行實時采集，促使各類數據信息能夠及時傳輸至開發中心，研發人員能夠制定處理方案，減少傳統數據處理需要的時間。

3.4 智慧城市

從當前情況來看，智慧城市作為新型的城市發展概念，利用了信息技術將城市現代化程度大大提高，GIS系統起到的作用十分關鍵，它是促使城市空間管理系統建成的信息基礎。現階段，智慧城市在建設期間對地理信息的獲取難以達到全面性，而無人機低空攝影測繪技術能夠解決該問題。

3.4.1.構建三維模型

首先，地理信息的三維模型的建立，是實現城市現代化的基礎，三維模型的建立能夠以一種立體的空間模式對建筑物進行深入描繪，而其他測繪方式在立體性方面稍顯不足，衛星測繪方式是自上而下，測繪完成后的圖像也只能通過二維投影或側視投影進行呈現，而人工測量期間，觀察角度會出現變化，無法保持穩定。對此問題，無人機能夠從最少三個角度實現模型的構建，為智慧城市發展提供技術保障。

3.4.2.圖像處理

由于無人機低空攝影測繪在圖像處理的原理方面更加接近鳥瞰視角，產生的地理數據、信息無須通過復雜計算，便可直接進入智慧城市的建設系統和數據庫。無人機拍攝的視頻也可以直接用于智慧城市建設，提高了圖像應用效率，也減少了衛星測繪環節帶來的非必要整合，人工低效性也能夠得到有效緩解[4]。

3.5 城市數據的精確度

在城市測繪保障工作中，對于城市地理信息數據的精確度要求非常高，尤其在大范圍測繪環節，銜接位置的精準度必須達到要求，所以，在完成測繪工作后的第一時間，須對測繪點進行精準度的檢驗，避免因精準度較低而造成不利影響。在檢驗期間，無人機應用起到了至關重要的作用。

首先，無人機能夠在同一地理區域、以多樣的測繪方式對測量結果進行重復檢驗，主要有DOM正射影像圖的生成法，以及通過對DLG數字規劃圖的成像精度進行核對，通過CNSS設備與CORS定位系統進行網絡連接，將公共數據點設置為基準點，對比測繪結果和標準數據，若二者差值能夠控制在合理范圍內，則代表測繪結果的精準度達標。

3.6 航測三角技術

在航測三角技術中，充分結合數碼信息技術，將制圖、產品分析以及內業作業等有效融合，并將數據予以二次加密，保障測量數據的安全。在對照片進行分析過程中，航測三角技術能夠促使測量模式優化，無人機幾何反演技術可以實現全部數據的處理，并進一步優化數據內部結構。

3.7 有序化測繪技術

當前無人機裝置，不僅能夠將攝影技術和遙控技術相結合，還有著非常特殊的導航系統，使其實現測量數據的分割。若可以達到條件，便可將拍攝時間提前設置，促使航行期間的攝影定位更加準確。為達到高精確度的測量目的，不僅需要對控制點的位置予以明確，還需在彎道附近增設控制點，并添加更為清晰的參照物[5]。

總的來看，在我國無人機航空裝置不斷發展過程中，針對城市測繪保障，無人機低空攝影測量技術的應用起到了非常關鍵的作用。相比衛星測繪技術與飛機航拍測繪技術，無人機具有低成本、高分辨率、高精準度、高便捷性等方面的特點，適應的地理環境更加多樣，受天氣因素的影響較低，測繪效率能夠得到保障，促使城市測繪質量提高。