無人機(jī)傾斜攝影在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用分析

朱金海

（東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東東莞 523000）

1 引言

測(cè)繪工作是水利工程建設(shè)一項(xiàng)必不可少的工作。在傳統(tǒng)測(cè)繪工作模式下，主要以人力為主，不僅測(cè)繪效率低，而且很容易受到種種因素的影響，導(dǎo)致難以獲得完整的測(cè)繪信息，最終阻礙了水利工程建設(shè)的發(fā)展。而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有效解決了這一問題。通過應(yīng)用該測(cè)繪技術(shù)，測(cè)繪工作能夠不受客觀地形條件限制，通過操作無人機(jī)即可快速完成測(cè)繪作業(yè)，提升測(cè)繪工作的質(zhì)量水平，為水利工程建設(shè)提供充足的信息支持。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐分析，對(duì)推動(dòng)水利工程建設(shè)發(fā)展有非常重要的意義。

2 無人機(jī)傾斜攝影的概述

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，采用傳統(tǒng)無人機(jī)航空攝影測(cè)繪，一般只能從垂直角度出發(fā)，完成地物對(duì)象的拍攝測(cè)繪，獲取測(cè)繪數(shù)據(jù)的角度、方式比較單一。而對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)而言，由于在無人機(jī)上搭載了多個(gè)攝像頭以及傳感器，因此，可以從垂直、側(cè)視等角度完成對(duì)地物對(duì)象測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取。將該技術(shù)應(yīng)用于水利工程測(cè)繪中，可以有效地確保獲取的相關(guān)測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性[1]。

用于傾斜攝影測(cè)量的無人機(jī)飛行標(biāo)準(zhǔn)要求具體包括以下幾點(diǎn)：（1）無人機(jī)載重不小于2 kg。（2）多旋翼無人機(jī)在巡航時(shí)，要求巡航速度大于6 m/s。如果是固定翼無人機(jī)，要求巡航速度在10 m/s 以上。（3）無人機(jī)要有充足的動(dòng)力續(xù)航時(shí)間，要求電池動(dòng)力續(xù)航時(shí)間大于25 min，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力續(xù)航時(shí)間大于1 h。（4）無人機(jī)必須有較強(qiáng)的抗風(fēng)性能，通常能夠抵御4 級(jí)風(fēng)速帶來的影響。（5）在升空高度方面，要求無人機(jī)實(shí)用升空高度大于1 000 m，海拔高度在3 000 m 以上。

無人機(jī)傾斜攝影對(duì)搭載的傾斜相機(jī)也有著一定的性能要求。例如，CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》明確指出，針對(duì)無人機(jī)垂直攝影相片傾角要小于5°，最大不能超過12°。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，航測(cè)軟件處理能力也得到了升級(jí)優(yōu)化，因此，可以將傾角大于15°的航空測(cè)繪均歸屬于傾斜攝影范圍。實(shí)際進(jìn)行傾斜攝影測(cè)繪時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括兩點(diǎn)，一是無人機(jī)能夠獲取不同角度影像的能力，二是無人機(jī)單次作業(yè)的廣度和深度。

3 無人機(jī)傾斜攝影在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 確保水利工程測(cè)繪原始數(shù)據(jù)獲取的全面性

在水利工程測(cè)繪中，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是能夠從多角度出發(fā)，保證獲取原始數(shù)據(jù)測(cè)繪的全面性。通過無人機(jī)航空測(cè)繪，能夠無視地形障礙因素，多角度對(duì)地物信息進(jìn)行拍攝，從而保證相應(yīng)數(shù)據(jù)獲取的全面性[2]。在獲得相關(guān)的測(cè)繪數(shù)據(jù)成果后，測(cè)繪人員可以從相應(yīng)模型出發(fā)，抽取各種格式的測(cè)繪輔助數(shù)據(jù)，如DEM 數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)等。不僅如此，圍繞所獲得的測(cè)繪數(shù)據(jù)成果，可以從中導(dǎo)出高密度點(diǎn)云與圖像，這些信息與原始數(shù)據(jù)有非常高的匹配度，從而為水利工程測(cè)繪工作開展提供非常重要的幫助，比如，可以結(jié)合具體的點(diǎn)云與圖像信息，使測(cè)繪人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地形有全面的了解與認(rèn)識(shí)。除了可以獨(dú)立運(yùn)用傾斜攝影測(cè)繪數(shù)據(jù)成果以外，還可以將該測(cè)繪成果與其他技術(shù)組合運(yùn)用。比如，可以與遙感技術(shù)進(jìn)行組合運(yùn)用，測(cè)繪人員可以直接從云端平臺(tái)獲得水利工程測(cè)繪區(qū)域的圖像信息，從而為水利工程監(jiān)測(cè)工作開展提供良好的幫助。最后，工程測(cè)繪人員還可以運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，獲得一些分辨率較高的水利工程航空攝影圖像，再利用這些圖像數(shù)據(jù)完成水利工程數(shù)字工程建模與線路規(guī)劃圖的制作，從而為后續(xù)水利工程建設(shè)提供充足的測(cè)繪信息支持。

3.2 提升水利工程的測(cè)繪效率

在以往開展水利工程測(cè)繪工作時(shí)，通常以人力測(cè)繪為主，而水利工程面臨的地形環(huán)境復(fù)雜多變，因此，實(shí)際測(cè)繪效率較低。而通過應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)，可以顯著提升水利工程的測(cè)繪效率[3]。首先，無人機(jī)可以低空飛行，不受客觀地形條件的限制，因此，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速完成“跑圖”，測(cè)繪效率更高。同時(shí)無人機(jī)低空飛行時(shí)，整個(gè)操作比較自由靈活，同時(shí)也縮短了飛行周期，在既定路線規(guī)劃下即可完成測(cè)繪工作，因此，同樣有利于測(cè)繪效率的提升。不僅如此，從上文敘述可知，不同于傳統(tǒng)的無人機(jī)航空測(cè)繪，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪可以搭載多個(gè)攝像頭，從多角度入手完成影像數(shù)據(jù)的獲取，因此，不需要進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行測(cè)繪，更有利于水利工程測(cè)繪數(shù)據(jù)提升。最后，在后續(xù)進(jìn)行測(cè)繪數(shù)據(jù)處理方面，也可以利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，有效減輕后續(xù)內(nèi)業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理工作量，這對(duì)水利工程測(cè)繪效率提升有積極影響。

3.3 保障水利工程測(cè)繪作業(yè)的質(zhì)量

優(yōu)質(zhì)的測(cè)繪數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)推動(dòng)水利工程建設(shè)發(fā)展有非常重要的影響。在實(shí)際開展測(cè)繪工作的過程中，通過進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效保障水利工程測(cè)繪作業(yè)質(zhì)量水平。具體表現(xiàn)為以下方面：一是在獲得傾斜攝影測(cè)繪數(shù)據(jù)成果后，可以在相關(guān)先進(jìn)數(shù)據(jù)處理軟件的幫助下搭建測(cè)繪區(qū)域的三維模型，因此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)成果的可視化處理[4]。不僅如此，還可以通過數(shù)值模型完成對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的編輯與分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的高質(zhì)量、高水平應(yīng)用。二是無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求較高，尤其是在測(cè)繪平臺(tái)、傾斜攝影測(cè)量像素等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)方面的要求較高，因此，獲得的測(cè)繪圖像更加清晰，像素水平更高，分辨率也非常高，地物分辨率能夠達(dá)到5 cm 的精確度，因此，可以獲得高質(zhì)量的測(cè)繪數(shù)據(jù)，更好地滿足測(cè)繪數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。三是在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)泛在測(cè)繪工作開展，通過應(yīng)用一系列先進(jìn)的技術(shù)，減少對(duì)相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)的依賴，保質(zhì)保量地完成測(cè)繪作業(yè)工作，獲得更高精度的測(cè)繪數(shù)據(jù)信息，為水利工程建設(shè)提供良好的支持。

4 水利工程測(cè)繪中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影的措施

4.1 測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取

在某水利工程測(cè)繪項(xiàng)目中，飛行平臺(tái)采用了六旋翼無人機(jī)，由電池提供動(dòng)力，攝像機(jī)安裝數(shù)量為5 臺(tái)，并結(jié)合工程實(shí)際完成了航線規(guī)劃。在測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取方面，按照5 個(gè)不同方向完成測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取。在傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)的幫助下，共獲得了2 912 張照片，影像重疊度為85%，測(cè)繪面積0.6 km2，地表分辨率為5 cm/ 像素。在地面，測(cè)繪人員在GPS-RTK 設(shè)備的幫助下，設(shè)置了6 個(gè)控制點(diǎn)，主要目的是處理空中三角網(wǎng)平差。同時(shí)另外設(shè)置了6 個(gè)點(diǎn)，主要目的是負(fù)責(zé)控制點(diǎn)的檢查，從而有效推動(dòng)測(cè)量工作的開展。

4.2 航空攝影

結(jié)合水利工程測(cè)繪區(qū)實(shí)際情況，預(yù)先完成無人機(jī)起降飛行場(chǎng)地的選擇。要求選擇的場(chǎng)地地形平坦，視野開闊，不存在高功率信號(hào)的干擾。同時(shí)還應(yīng)考慮實(shí)際的天氣情況，選擇在晴天、無云、風(fēng)力較小的時(shí)間段開展傾斜攝影測(cè)量工作。在無人機(jī)正式起飛前，還應(yīng)注意檢查飛機(jī)電池是否滿電、遙控器是否操作正常、控制平板電腦設(shè)備是否運(yùn)行正常，從而確保整個(gè)設(shè)備狀態(tài)完好。在確認(rèn)一切狀況良好后，無人機(jī)正式開始起飛。在傾斜攝影測(cè)量過程中，要求嚴(yán)格按照規(guī)劃好的航行路線進(jìn)行飛行測(cè)量。在測(cè)量過程中，需要操作人員密切關(guān)注無人機(jī)的飛行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)相關(guān)的飛行參數(shù)，掌握好各種傾斜攝影測(cè)量參數(shù)信息，無人機(jī)的飛行高度、飛行速度、飛行拍攝軌跡等。應(yīng)及時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，靈活做好無人機(jī)飛行攝影參數(shù)的調(diào)整，確保順利地完成航空傾斜攝影測(cè)繪工作。

4.3 數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

在水利工程項(xiàng)目中，在通過傾斜攝影完成測(cè)繪成果獲取后，還需要對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在實(shí)際處理時(shí)，測(cè)繪人員應(yīng)用了三維建模軟件Context Capture 軟件。通過該軟件，可以結(jié)合獲得的數(shù)據(jù)，完成對(duì)測(cè)區(qū)地物三維模型的構(gòu)建。在這一過程中，包含了諸多復(fù)雜流程環(huán)節(jié)，比如，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的匹配，然后完成模型的搭建與修改，最后還需要對(duì)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取，完成對(duì)平差的調(diào)整等。一般通過利用傾斜攝影測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)，可以建立比較真實(shí)的數(shù)據(jù)模型。同時(shí)還能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行有效的兼容[5]。

在實(shí)際進(jìn)行模型構(gòu)建的過程中，還需要運(yùn)用仿真軟件。在項(xiàng)目中，構(gòu)建模型所需要的數(shù)據(jù)主要通過傾斜攝影策略技術(shù)獲取，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理。然后，主要在自動(dòng)貼圖技術(shù)、TIN 網(wǎng)絡(luò)的建立以及正射影像技術(shù)的幫助下，完成空間模型的構(gòu)建。此空間模型不僅包含所有的測(cè)繪信息，同時(shí)，使整體測(cè)繪圖像呈現(xiàn)更加立體直觀，從而便于測(cè)繪人員對(duì)水利工程整個(gè)測(cè)繪區(qū)域的地形地貌情況進(jìn)行全面深入地了解，從而為后續(xù)水利工程設(shè)計(jì)方案制訂提供充足的測(cè)繪信息支持。

4.4 精度控制

在本工程項(xiàng)目中，針對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，還需要通過進(jìn)行檢查點(diǎn)的設(shè)置完成對(duì)高程與平面精度的控制，其中，工程測(cè)繪精度統(tǒng)計(jì)部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄如表1 所示。從表1中可知，在平面精度方面，最大平面誤差為6.1 cm，最小平面誤差為1.1 cm。在高程精度方面，最大高程誤差5.3 cm，最小高程誤差2.2 cm。表明該水利工程高程精度與平面精度均滿足相關(guān)的要求標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)是一項(xiàng)非常先進(jìn)的技術(shù)，在水利工程測(cè)繪工作開展的過程中，通過加強(qiáng)該測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提升水利工程測(cè)繪效率與測(cè)繪質(zhì)量水平，能夠確保測(cè)繪獲得更加全面的原始數(shù)據(jù)信息。因此，有必要在水利工程測(cè)繪工作開展的過程中加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，促使該技術(shù)發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值，為水利工程建設(shè)提供充足的測(cè)繪信息技術(shù)支持，推動(dòng)工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。