無人機(jī)低空遙感技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

劉曉波

（山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250002）

無人機(jī)具有輕便靈活的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用，在大比例尺地形圖測繪中實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的密切融合，是提高測繪工作效率與質(zhì)量的關(guān)鍵途徑。我國在無人機(jī)低空遙感技術(shù)發(fā)展中的起步較晚，隨著技術(shù)投入的增加和應(yīng)用實(shí)踐的增多，該技術(shù)也獲得了高速發(fā)展，滿足了多角度和多維度拍攝的要求，逐步改善了影像的質(zhì)量效果，具有較強(qiáng)的可靠性。由于大比例尺地形圖測繪工作的復(fù)雜程度較高，而且會受到外界意外因素的影響，因此在技術(shù)應(yīng)用過程中應(yīng)該制定專項(xiàng)方案，以達(dá)到測繪工作的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 無人機(jī)低空遙感技術(shù)概述

1.1 系統(tǒng)組成

無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)主要包括了飛行平臺、控制系統(tǒng)、遙感設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等，確保各個(gè)子系統(tǒng)的密切銜接與配合，是提高無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)作業(yè)成效的關(guān)鍵。導(dǎo)航器、供電系統(tǒng)和傳感器等共同組成飛行平臺，可以滿足無人機(jī)的低空飛行要求，飛行速度最高可以達(dá)到160 km/h，而且具有很強(qiáng)的續(xù)航能力，可以滿足連續(xù)性測繪作業(yè)的要求。轉(zhuǎn)速傳感器和GPS接收機(jī)等共同組成控制系統(tǒng)，可以針對無人機(jī)的飛行過程實(shí)施全面控制，避免造成失穩(wěn)的情況，這是確保數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量的關(guān)鍵。多個(gè)傳感器設(shè)備共同組成遙感設(shè)備，數(shù)碼相機(jī)的分辨率可以滿足多種環(huán)境下的攝影要求，成像速度也更快，達(dá)到實(shí)時(shí)化校正的目的。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以針對無人機(jī)飛行中獲取的數(shù)據(jù)實(shí)施整理，降低數(shù)據(jù)偏差，防止在地形圖繪制中出現(xiàn)錯(cuò)誤。通信系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)的有效控制，同時(shí)接收無人機(jī)飛行中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。此外，發(fā)射和回收系統(tǒng)也是無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的主要部分，為無人機(jī)起飛和降落提供安全保障。

1.2 操作流程

首先，應(yīng)該做好資料搜集工作。針對測繪區(qū)域的相關(guān)情況實(shí)施全面調(diào)查與分析，了解地形地貌信息和周圍建筑物情況，確保在正確的時(shí)間開展測繪工作，降低外界因素的干擾。在選擇起飛場地時(shí)應(yīng)該保持開闊性，避免對無人機(jī)的飛行造成阻礙。需要專業(yè)人員提前做好勘查工作，防止在飛行期間造成嚴(yán)重的安全問題，以加快大比例尺地形圖測繪的進(jìn)度。其次，應(yīng)該做好飛行方案的編制工作。在了解測繪區(qū)域特點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的航線，為無人機(jī)的飛行創(chuàng)造條件，提高飛行效率，獲得更具精確性和全面性的數(shù)據(jù)信息。做好各類構(gòu)件的全面檢查工作，避免在飛行期間造成損壞，以確保無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)效果[1]。最后，還應(yīng)該開展質(zhì)量檢查和資料整理工作。針對遙感影像的質(zhì)量實(shí)施全面檢查，為數(shù)據(jù)處理提供可靠保障，剔除其中的異常數(shù)據(jù)，防止影像飽和度及色彩等受到影響。針對原始數(shù)據(jù)及飛行數(shù)據(jù)等實(shí)施整理，滿足內(nèi)業(yè)處理的要求。

2 無人機(jī)低空遙感技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 提高測繪靈活性

相較于大型飛機(jī)而言，無人機(jī)具有靈活性的特點(diǎn)，因此在大比例尺地形圖測繪中得到廣泛應(yīng)用。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的密切銜接，可以更加及時(shí)地獲取相關(guān)影像數(shù)據(jù)，全面了解測繪區(qū)域的地物信息，以便對無人機(jī)的飛行情況做出調(diào)整，避免對飛行質(zhì)量和安全造成影響[2]。無人機(jī)的重量較輕、體積較小，對于操作人員的要求不高，通過簡單的培訓(xùn)就能掌握無人機(jī)的操作方法，因此在飛行控制方面也更具可靠性。無人機(jī)可以達(dá)到人員無法達(dá)到的區(qū)域，因此能夠避免在測繪中出現(xiàn)死角和盲區(qū)，提高了技術(shù)適用性。

2.2 提升測繪效率

隨著通信系統(tǒng)的逐步優(yōu)化和完善，無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪中可以有效提高工作效率，更加及時(shí)地獲取地質(zhì)環(huán)境信息，為數(shù)據(jù)傳輸和共享提供支持。在傳統(tǒng)人工測繪模式下，不僅會加大工作人員的負(fù)擔(dān)，而且數(shù)據(jù)量較大，難以確保測繪工作的良好進(jìn)度。而無人機(jī)低空遙感技術(shù)則能夠更加快速地獲取現(xiàn)場信息，在完成數(shù)據(jù)采集后如果存在問題還可以實(shí)施補(bǔ)測，以獲得更加可靠的數(shù)據(jù)信息，降低對內(nèi)業(yè)計(jì)算工作的干擾。

2.3 加快數(shù)據(jù)處理速度

航攝遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的有效銜接，是提高傳輸及處理速度的關(guān)鍵，增強(qiáng)了系統(tǒng)的集成度，有助于在一體化操作中實(shí)現(xiàn)高效整合。特別是在很多偏遠(yuǎn)山區(qū)和復(fù)雜地形區(qū)域中，無人機(jī)低空遙感技術(shù)可以降低外界因素的干擾，更加快速地推進(jìn)測繪工作進(jìn)程，數(shù)據(jù)在采集后可以及時(shí)傳輸給相關(guān)人員，為數(shù)據(jù)審核和計(jì)算分析提供可靠保障。

2.4 保障數(shù)據(jù)精度

由于采用的攝影設(shè)備性能可靠，分辨率逐漸提高，能夠達(dá)到0.1~0.5 m的測量要求，因此使得數(shù)據(jù)精度得到改善，解決了傳統(tǒng)模式下的圖像模糊和飽和度不高等問題。在多角度攝影工作中，高分辨率數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用效果也較好，有助于更加高效開展傾斜拍攝和垂直拍攝等。此外，GPS系統(tǒng)與無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的融合，可以滿足地物信息的提取要求，與常規(guī)衛(wèi)星遙感技術(shù)相比較而言，細(xì)節(jié)處理能力更強(qiáng)。

2.5 降低成本投入

相較于傳統(tǒng)技術(shù)手段而言，無人機(jī)低空遙感技術(shù)的成本投入也較少，可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。特別是當(dāng)前無人機(jī)生產(chǎn)制造工藝逐漸提高，整體成本呈現(xiàn)出下降的趨勢，而且無人機(jī)的操作對于人員數(shù)量要求不高，因此降低了人力、物力和財(cái)力的投入[3]。在測繪工作中應(yīng)用無人機(jī)低空遙感技術(shù)，可以避免很多重復(fù)性工作，只需要對無人機(jī)等設(shè)備實(shí)施簡單維護(hù)就能保障良好的運(yùn)行效果，測繪成本更低。

3 無人機(jī)低空遙感技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用措施

3.1 影像獲取與質(zhì)量控制

為了避免續(xù)航能力不足而對測繪效果造成影響，在影像獲取中應(yīng)該做好分區(qū)處理，明確各個(gè)測繪區(qū)域的基本特點(diǎn)，制定針對性的技術(shù)方案。了解分區(qū)內(nèi)地物和建筑物、地形地貌的情況，盡可能保持一致性，可以降低測繪工作的難度，為數(shù)據(jù)獲取提供可靠保障。以比例尺大小為依據(jù)設(shè)定最小跨度，結(jié)合布點(diǎn)要求在不同分區(qū)內(nèi)實(shí)施測量。在前期勘查工作當(dāng)中，要了解特殊區(qū)域的地形地貌狀況，嚴(yán)格控制無人機(jī)的飛行高度，保持影像獲取過程中的安全性。無人機(jī)的飛行航線也是決定測繪效果的主要因素，因此應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境對航線實(shí)施優(yōu)化及調(diào)整，盡可能避開大型水域，如果無法避免則應(yīng)該在岸上位置設(shè)置像主點(diǎn)位。嚴(yán)格控制無人機(jī)飛行的質(zhì)量效果，可以提高大比例尺地形圖的質(zhì)量，應(yīng)該了解無人機(jī)的飛行特點(diǎn)及環(huán)境變化情況，做好動(dòng)態(tài)化控制工作。尤其是當(dāng)氣流出現(xiàn)較大的波動(dòng)時(shí)，會對無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而且有可能造成傾覆的狀況。嚴(yán)格控制相片旋偏角，一般在15°以內(nèi)，飛行期間避免云層造成遮擋，以提高成圖的質(zhì)量[4]。在航線設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該針對其彎曲度加以控制，通常在1.5%以內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)控制實(shí)際飛行高度，誤差要控制在50 m以內(nèi)，相對飛行高差要控制在20 m以內(nèi)。

3.2 相機(jī)檢校文件

為了確保測繪的精度效果達(dá)到要求，還應(yīng)該開展相機(jī)校驗(yàn)工作，了解光學(xué)畸變系數(shù)，以提高最終測繪質(zhì)量。在校驗(yàn)工作中，應(yīng)該以主點(diǎn)位置和主距、像框坐標(biāo)系、主距變化情況、偏心常數(shù)和成像分辨率等為重點(diǎn)，在三維模型構(gòu)建中充分發(fā)揮二維信息的作用，明確地物信息和像元的對應(yīng)關(guān)系。其中，相機(jī)外方位元素和內(nèi)方位元素是決定計(jì)算結(jié)果精度的主要因素，包括了坐標(biāo)與角元素、主距。數(shù)碼相機(jī)在拍攝工作中會造成一定的誤差，加強(qiáng)對誤差的合理控制也有助于改善無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量[5]。明確離心畸變差和徑向畸變差對相機(jī)拍攝工作的影響，其中徑向畸變差的影響最為顯著，通過校驗(yàn)的方式可以有效控制誤差。

3.3 像控點(diǎn)獲取

為了有效處理航拍像片中的偏差狀況，還應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的控制點(diǎn)，以提高大比例地形圖的質(zhì)量狀況，與地面坐標(biāo)系做好銜接。在野外完成控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程的測量，可以采用全野外布點(diǎn)的方式。非全野外布點(diǎn)的方式也較為常用，需要充分發(fā)揮空間三角加密技術(shù)的作用，做好內(nèi)業(yè)和外業(yè)工作的銜接。高程點(diǎn)、平面點(diǎn)和平高點(diǎn)等，是像控點(diǎn)的基本特點(diǎn)，高程數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)分別包含在高程點(diǎn)和坐標(biāo)點(diǎn)當(dāng)中，平高點(diǎn)則包含以上兩類數(shù)據(jù)信息。大比例尺地形圖測繪工作會受到像控點(diǎn)布設(shè)效果的影響，只有確保整個(gè)控制網(wǎng)的良好狀態(tài)，才能減少測繪中的偏差。工作人員應(yīng)該對影像圖加以深入分析，在布點(diǎn)過程中避開模糊區(qū)域，確保點(diǎn)位清晰性。一般情況下，可以在航向和旁向重疊5片區(qū)域內(nèi)設(shè)置像控點(diǎn)，為了防止畸變因素對工作的影響，嚴(yán)禁在邊界位置設(shè)置像控點(diǎn)，可以充分發(fā)揮無人機(jī)低空遙感技術(shù)的特點(diǎn)。在設(shè)定高程點(diǎn)時(shí)選擇空曠區(qū)域，包括了房角線位置、固定石橋位置、平地邊角位置和溝渠位置等，避免在布設(shè)過程中造成嚴(yán)重的遮擋，移動(dòng)物體也不能布設(shè)像控點(diǎn)[6]。如前所述，非野外布點(diǎn)和全野外布點(diǎn)是當(dāng)前像控點(diǎn)布設(shè)的主要形式，前者實(shí)現(xiàn)了內(nèi)業(yè)工作和外業(yè)工作的密切銜接，后者可以提高加密點(diǎn)精度，但是工作量相對較大，因此加大了工作人員的負(fù)擔(dān)，隨著無人機(jī)低空遙感技術(shù)水平的提升，非全野外布點(diǎn)方式得到廣泛應(yīng)用。測量控制點(diǎn)后得到相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)要由內(nèi)業(yè)人員完成加密處理，包括了區(qū)域網(wǎng)和航帶網(wǎng)等方法。在使用航帶網(wǎng)方法時(shí)，應(yīng)該考慮到基線對像控點(diǎn)布設(shè)工作的影響，基線間隔由比例尺的大小所決定。而采用區(qū)域網(wǎng)的方法時(shí)，則應(yīng)該做好平差處理，根據(jù)像對數(shù)控制具體的面積大小。在選擇像控點(diǎn)的布設(shè)方法時(shí)，應(yīng)該了解測繪區(qū)域的具體情況，以減輕外業(yè)工作的負(fù)擔(dān)，確定切實(shí)可行的布點(diǎn)方案。

GPS靜態(tài)觀測的方式在像控點(diǎn)觀測中的應(yīng)用較多，通常情況下，衛(wèi)星高度角應(yīng)該不低于15°，而且衛(wèi)星數(shù)量不少于4個(gè)，有效觀測時(shí)長在15 min以上。采集數(shù)據(jù)時(shí)，將間隔時(shí)間控制在15 s左右，點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子應(yīng)該在6以內(nèi)。測量像控點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)借助于RTK技術(shù)，滿足GPS-RTK動(dòng)態(tài)觀測的要求，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量與效率[7]。將高程點(diǎn)和平面點(diǎn)的誤差分別控制在10 cm和5 cm以內(nèi)，做好編碼處理，為后續(xù)工作提供可靠保障。

3.4 空中三角測量

空中三角測量也是大比例尺地形圖測繪中的關(guān)鍵環(huán)境，能夠降低外業(yè)工作量，充分發(fā)揮無人機(jī)低空遙感技術(shù)的作用，得到更加精確的外方位元素，滿足區(qū)域網(wǎng)平差的要求。在工作中用到的坐標(biāo)系類型存在一定差異性，主要包括了像平面坐標(biāo)系o-xy、像空間坐標(biāo)系S-xyz、像空間輔助坐標(biāo)系S-XYZ和攝影測量坐標(biāo)系A(chǔ)-XYZ、物方空間坐標(biāo)系等，可以滿足坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換和加密點(diǎn)坐標(biāo)的獲取要求。在立體模型的構(gòu)建過程中應(yīng)該充分發(fā)揮相對定向的作用，包括了自動(dòng)相對定向和手動(dòng)相對定向等方法。成果轉(zhuǎn)換工作的最終質(zhì)量，往往會受到空中三角加密的影響，需要確保加密點(diǎn)數(shù)量達(dá)到測繪工作要求，保持良好的精度，降低外業(yè)人員的負(fù)擔(dān)[8]。航帶法、獨(dú)立模型法和光束法等，是空中三角測量的主要方法，其中航帶法主要應(yīng)用于小比例尺地形圖的測繪當(dāng)中，在大比例尺地形圖測繪中會遇到較大的困難。采用獨(dú)立模型法時(shí)，能夠有效提高加密的精度，光束法的成熟度相對較高，尤其是在當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)的支持下獲取快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中。在空中三角測量工作當(dāng)中應(yīng)該選擇合適的系統(tǒng)和軟件，其中DATmatrix軟件的應(yīng)用效果較好，包括了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、工程自動(dòng)內(nèi)定向、連接點(diǎn)自動(dòng)提取和交互編輯等過程。

3.5 DLG量測

DLG量測也是決定測繪工作效果的重要工作，包括了道路測繪、房屋、構(gòu)造物測繪和橋涵測繪等。在道路的測繪工作當(dāng)中，應(yīng)該明確道路的優(yōu)先等級，做好區(qū)域劃分，為內(nèi)業(yè)人員提供可靠支持。明確周圍路燈和電桿的位置、走向等，劃分不同電力線的主次順序。按照由高到低的順序完成房屋和構(gòu)造物的繪制，明確各類門墩和圍墻的位置并實(shí)施核查，避免在測繪工作中出現(xiàn)疏漏的情況[9]。在圖幅覆蓋的區(qū)域內(nèi)設(shè)置高程點(diǎn)，明確重點(diǎn)地物和特殊位置的高程點(diǎn)信息，包括了測繪區(qū)域內(nèi)的斜坡和橋涵等，保持大比例尺地形圖的美觀性。

3.6 DOM制作

數(shù)字正射影像的構(gòu)建，是大比例尺地形圖測繪工作中的最終環(huán)節(jié)，及時(shí)校正各類像元，確保航片的質(zhì)量達(dá)到測繪要求并實(shí)施裁剪。針對影像特征和幾何信息等實(shí)施全面檢查，確保在數(shù)字正射影像制作中獲得良好的精度。相較于一般的像片而言，數(shù)字正射影像采用了固定的比例尺，而且不會造成傾斜誤差和投影差。獲得的圖像色彩更加飽滿、均衡，而且對于色差的控制效果更好。采用傳統(tǒng)方法，會在拼接影像中遇到較大的困難，而且會對拼接精度產(chǎn)生干擾，采用數(shù)字正射影像的方式可以有效解決上述問題，滿足了矢量疊加的要求。DEM制作與編輯是DOM制作的關(guān)鍵點(diǎn)，包括了自動(dòng)空三加密、核線重采樣、影像匹配、DEM生成編輯、拼接和正射影像生成等環(huán)節(jié)[10]。此外，還應(yīng)該做好DOM的編輯工作，避免出現(xiàn)重影和模糊的情況，應(yīng)該以原始影像為依據(jù)實(shí)施調(diào)整。在拼接過程中應(yīng)該做好縫隙控制，降低接邊中的誤差。

4 結(jié)束語

在大比例尺地形圖測繪中，無人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，不僅能夠提高測繪的靈活性和效率，而且能加快數(shù)據(jù)處理速度，避免數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的誤差，成本投入也相對較低，最大限度保障人員安全。在實(shí)踐工作當(dāng)中，應(yīng)該通過影像獲取與質(zhì)量控制、相機(jī)檢校文件、像控點(diǎn)獲取、空中三角測量、DLG量測和DOM制作等要點(diǎn)的全面把控，充分發(fā)揮無人機(jī)低空遙感技術(shù)的優(yōu)勢及特點(diǎn)，以便在實(shí)踐工作當(dāng)中取得良好的測繪成效，保障大比例尺地形圖的質(zhì)量。