無人機大比例尺測圖技術及應用研究

周麗晨 蘇紫乾

內蒙古有色地質礦業（集團）七隊有限責任公司 內蒙古 烏蘭浩特 137400

隨著經濟建設的快速發展，不免會對地表地形進行改變，很多行業需要地表地形數據的更新。這樣一來，需要對地理數據進行快速收集與整理更新。其中無人機航空攝影可以快速獲取地理數據，在測圖工作中越來越發揮重要作用。無人機技術與數碼相機的相結合，使得無人機數字航攝技術的優勢逐漸顯現。相對于傳統的測繪方式，無人機大比例尺測圖技術經濟成本低，更加便于操作，具有靈活性。無人機航測技術可以克服惡劣環境，在惡劣環境中繼續工作。具有一定的現實意義。

1 概述

無人機最早產生于20世紀70年代，早期主要用于軍事領域。隨著經濟與科學技術的發展無人機技術逐漸運用于民事與科研領域。無人機航空攝影測量系統在近幾年逐漸成熟，再加上數碼相機的發展，使得無人機大比例尺測圖技術成為航測領域的一項新技術[1]。無人機航測系統可以應對自然災害的發生，獲取相關數據。在遙感、攝影測量等領域也得到廣泛的關注。促進無人機航測技術的發展將有一定的現實意義。

2 無人機攝影測量工作原理

無人機航空成像技術是地理信息和制圖技術的前沿，它結合了許多新技術，例如全球衛星定位技術以及數據傳輸技術。其工作原理是提前規劃行程，然后掃描測繪對象、繪制對象從而獲取圖像數據，完成對測繪對象的數據處理。

無人機航測系統旨在獲得精確的空間數據，再結合3S技術的應用，實現實時觀測能力和空間數據處理能力。無人機攜帶的最重要的攝影測量傳感器是CCD數碼相機[2]。為了獲得與大比例地形圖精度相匹配的圖像，基于相機的幾何成像模型進行相關校準工作，以獲得相機的內部參數，并測量每個像素的失真。

3 無人機航測系統的組成及特點

3.1 無人機航測系統的組成

無人機航攝系統主要由如下幾方面組成：飛行控制器、航拍設備、圖像感應器。飛行控制器主要進行對無人機及航拍系統的管理和對目標載荷的控制和選擇。飛機平臺即無人機的機體，通常包括了旋翼機、固定翼、混合機翼等三種。而攝影感應器即用來進行航拍的各種感應器系統，包括單反相機、多鏡頭的傾斜式攝像鏡頭等[3]。

3.2 無人機航測系統的特點

相對于衛星測量技術來說，無人機測量技術在效率方面更高，在同等的資金成本和技術成本支持下，無人機測量能夠完成覆蓋面比較廣的工作，所需要獲取的測量數據也較多。當政府對測量任務進行了相關的運輸管理審批程序以后，無人機就能夠開展商業運行任務了。由于無人機測量技術對飛機的起落地點要求比較小，工作條件比較簡單，具備較高的實用價值。另外，由于其飛行高度相對降低，且位于云層下面的地方，受氣候環境的影戲響比較小，因此具備了全天候工作的優勢。在無人駕駛飛行器航測任務中，也可以獲取比較準確的數字影像，因此具備了很高的整體技術含量[2]。在實際測量工作流程中，無人機測量通常與衛星測量、地球監測等方法協調進行，為實現綜合測量目標提供更為有效的信息。

4 無人機航空攝影測量關鍵技術

4.1 地面站控制系統

在地面系統建設方面，主要內容涉及數傳電臺、地面站軟件和計算機技術等三個方面。站從實際運行方面來看，控制系統在飛行數據和位置信息收集方面，主要是通過控制軟件的數字顯示系統，在獲取飛行數據和位置信息的同時，也可以利用計算機的控制軟件，通過顯示出飛機行駛的實際數據和路徑信息，對整個無人機的行駛目標實施遙控指令。而經過這些工作，整個無人機的自主行駛功能也將會受到更加完善，操作者還能夠通過在該控制系統之中預先輸入出飛機路徑，從而實現對航線上飛行目標的機動控制，而唯有如此，方可對航跡目標進行合理調整。

4.2 空中三角測量

航空三點測量技術，是指通過對一些已知的野外控制點，在航空照相像上進行控制點位置加密，并通過數學計算獲得加密控制點的平面位置和高程之后，對缺乏野外控制點的區域加以測圖和實現絕對定向的加密控制點。在通常情形下，將航空三角的測量技術包括了相對定向、模型連接、平差解算，以及絕對定向等技術。首先實現了立體像對的相對定向，目的就是通過恢復構成立體像對的相鄰二個影像的攝影光束的相互聯系關系，使同名光線可以對對地交錯傳播，并據此恢復二個攝影的相對位置，從而建立目標的幾何模型，進而可計算地確定各個模型的相對定向系數。相對位置定向完成之后，就產生了影像之間的相對位置關系，但是因為各個模型之間的坐標系并非相同，所以在此時還需要通過對各個模型中的物體在同名位置上通過空間相似變換來進行與模型連接，從而使得所有的系統都處于同一個坐標系中。而通過在立體像上的相對定向就能夠產生單航的自由網，這樣建立了位于同一航區上的影子之間的相對空間位置關系。然后，再利用單航帶內的物方同名點進行空間相似轉換，對各的單航帶自由網系統進行空間拼接，這樣使所有的單航帶自由網系統都處于同一個空間座標體系中，從而形成了一個自由網體系。在采用相對定向的模型系統連接時，存在著信息的傳遞和累加現象，這會導致整個自由網的扭曲和畸變，所以就需要利用自由網的高程平差來減小誤差。之后，再導入地面控制點坐標進行區域網絡平差，從而完成了整個空域網絡的誤差配賦和絕對定向。絕對定向也是對無人機飛行圖像進行空間三角測量時的重要環節，從而完成了進行相對定向時的立體模型從傳統攝影測量坐標向地面坐標系的轉化。絕對定向的實質上是解求相機測量坐標系與目標大地坐標系二個坐標中的七個位置變換系數，其中三個平移系數、3個旋轉角度系數，以及一個比例系數。當絕對定向實現后，就能夠通過無人機影像的相機測量坐標系求取目標的土地坐標系。

4.3 POS技術輔助空三加密

由于全球定位信息技術的迅速發展，使得航空測量設備變得更加完備，在控三操作方面，也進一步降低了人工的作業量，進而降低了對地面控制方式的依賴性。其中，通過POS技術主要是對GPS的動態定位信息進行了合理利用，從而可以對航空三維定位信息進行了快速獲取，進而可以通過IMU技術把信息曝光在飛機的三個姿態角表現出來，因為如此，外方位元素值信息就可以表現出來了，讓外業對控制方式的干擾越來越小。而通過POS技術的輔助，飛機人工操作步驟和時間都會更加縮短，同時也能夠與實際規范的要求更加相符，不但可以讓飛機內業操作的有效性大大地提高，同時也可以使飛機在航空測量中作用出的周期和持續時間都顯得更短。這項研究的主要原理在于借助GPS技術和IMU技術，可以有效的獲得外方位元素信息，并實現其物理上的互相對等。

5 測繪大比例尺地形圖的作業流程

無人機應用飛行檢測技術的作業過程包括：首先，設定飛行檢測范圍、現場檢測，制定飛行路線計劃、制定任務；然后，使用任務性能控制檢驗圖像檢測效果；最后，對空間三角測量、數據收集以及結果質量實施檢驗。

5.1 測繪前準備

在制定航空攝影計劃之前，應對該地區的地形、地勢及植被進行實地調查，并提供參考信息以確定路線并在布置好觀測點。需要詳細研究無人機參數的性能，例如飛行時間、最大高度、成像設備參數、內存容量等。通過調查研究根據具體情況制定合理的測繪方案。

5.2 確定航攝方案

首先，收集測量區域的地形圖數據，并將其用于航攝照片設計。根據目標范圍的測量、成圖比例尺以及測繪地區的情況，確定航空攝影比例尺。在航空攝影過程中，合理的航空攝影區域應根據無人機類型、成圖比例尺以及制圖的范圍進行劃分。在作業之前，最好選擇一個陽光充足、大氣濃度低的日子。在技術書的撰寫過程中，要遵循航攝技術要求。

5.3 航攝測繪實施

起飛前，應仔細檢查系統設備的工作狀態，并組織無人機操作員嚴格按照操作規范，評估路線設計、注意事項和技術規范。在飛行過程中，要注意飛行高度并且要保持飛行穩定性。操作人員要對飛行狀態進行監控，保證飛行質量。飛行質量主要分為像片重疊率、像片傾斜角、像片旋偏置角度等[4]。無人機具有體積小、重量輕的特點，在飛行過程中稍有風就會受到影響。這時需要操作人員通過各種技術手段，保持飛行的穩定性，保證測繪的準確度。

5.4 控制點布設

地面控制點是攝影測量中空三加密和制圖的基礎。可以使用現有地形圖數據和谷歌地圖數據選擇地面觀察點。像控點布設首先要考慮測區地區的地形條件和測繪地圖精度要求。在滿足結果準確性的前提下，可以選擇現場觀察點，一般飛行高度越低，布設點密度應該越大，隨之相反。布設點的密度還和飛機像素的高低有關，像素越高布設點越小。控制點的設計有兩種常見的方法：區域網和航帶法。在選點過程中，高程控制點點位目標應選擇在高程起伏相對較小的地方，起伏較大的地方不便于測量。選擇的像片控制點的目標影像要適于觀察與測量。要綜合考慮各種情況從而并選擇最佳布局。

6 無人機航測技術在低空作業中應用

在測繪工作中，因為一些地形地勢或者自然環境因素會使測繪工作雪上加霜，也會使測得的數據受到一定的影響。但是，目前先進的無人機航測技術可以解決這類問題，因為無人機在起飛和降落過程中受自然環境的影響較小，也不需要考慮地形地勢問題。關于無人機的安全問題，由于無人機在運行過程中不需要相關人員實時跟蹤，因此可以實現遠程控制。因此，對于無人機飛行員來說，這為他們自身的安全提供了保障。例如，在某一城市的土地確權工作中，由于實地工作地形惡劣，云層較低，給工作帶來了很大困難。但認證公司利用無人機航測技術，在該測區有效確立了測量路線和攝影技術，使用合理的測量技術，在惡劣環境下大大提高了工作效率，保質保量地完成了測量任務[5]。

7 無人機檢測方面的問題和對應策略

目前無人機的生產廠商遍布在全球三十多個國家、數百個生產廠商中，而中國在這方面的生產技術也居于世界首位，技術水平已經達到了先進國家的水平。而在實際使用中，又由此造成了在實際測量工作中，常常必須做好對相應機種的選型工作，要根據單次作業的區域、地形和時間等不同因素進行綜合分析，才能提高全機的作業質量。

7.1 測繪精度存在不足

因為不同的無人機其自重、設計載重、體型尺寸等方面都有著很大的不同，其所攜帶的拍攝設備也各異。因此測量項目實施時，應根據技術條件作出合理選擇，采取使用不同的拍攝設備，在符合技術條件的情況下，科學合理的控制測量成本。需要通過攝像機在固定地點上的相對位置，判斷其所造成的不穩定度，在實際測量過程中，首先要做好對攝像機標準尺的測量，并通過對實際的攝像范圍，進行具體分析其測量準確度，是否滿足了精確性的需要。而一旦發生了精確性不合格的現象，就必須進行對相應的數據進行調查，在需要的前提下，就必須對攝像機設備進行更新，以便于整個工作得以高效的進行。

7.2 人為因素造成的誤差

由于人為方面的技術因素，在測量過程中不可避免的要產生一定程度的偏差。所以在開展測量作業時，首先要確定人員的工作態度，按照實際需要的標準，分析偏差所產生的范圍和部位，并確定設備在收集數據過程中產生誤差所造成的危害，并根據相關的作業標準和要求實施規范作業，以此提高整個工作水準。對在超出規定區域內的偏差問題，要提供適當的解決辦法，并采取技術改進和軟件調整的措施加以合理調整，從而使得整體測量工作可以更加適應現實需求。

7.3 天氣因素的影響

天氣干擾因子對無人機測量的實際工作都會造成很大的干擾，這不但會干擾飛行器的正常工作，同時也會對畫片質量造成很直接的影響。在實際進行觀測工作過程中，則一般選擇少云、能見度較好、無雨少風的天氣。一般情況下，當風力在三級左右時對無人機的航拍工作干擾程度較小，在當風力超過四級的情況下，則需要停止工作，再根據實際情況進行調整重新選擇工作的時機。在實際工作時間方面，則一般選擇工作在午間前后的時間進行，但同時還需要考慮降低因云層太厚或過高產生的陰影等的干擾。在進行無人機研究項目時，相關的技術人員還必須進行對天氣因子所影響的大數據分析，從而通過技術手段減少了這些影響可能產生的影響，并由此擴大了無人機測繪的研究領域。

8 無人機大比例尺測圖技術的展望

大規模無人機測量和制圖是一個相對年輕的熱點。它使用攝影設備和計算機設備，將在理論和實踐方面得到迅速發展。此外，它與新型傳感器和其他測量工具（如GPS、總站、激光掃描儀）結合在一起，為大規模地形測量和制圖帶來了極大的便利性。便于提高測量和制圖的準確性與效率。成像無人機系統生產的大型地形圖的平面精度相對容易滿足，但高度精度仍難以提高。

9 結語

如今的時代是信息快速發展的時代，如何快速獲取3D空間數據已成為熱門話題。無人機已廣泛應用于測量和制圖領域，成為一項熱門的新興科研技術。一方面，它速度快、精度高，也降低了測量和制圖人員的勞動強度；其次，它的操作靈活，完全滿足了比例尺測量和制圖精度的要求。在不久的將來，無人機技術將滲透到每個人的生活中，也將給測量和制圖帶來新的技術革命。