無人機(jī)航拍技術(shù)在測繪工程測量中的應(yīng)用

陳 麗，孫康寧

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在地質(zhì)工程測量工作中，傳統(tǒng)的手工測繪技術(shù)已經(jīng)難以與現(xiàn)代地質(zhì)工程測量測繪的需要相適應(yīng)，在這種情況下，需要對現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行積極的改進(jìn)。在我國目前的現(xiàn)代化建設(shè)中要完成測繪工程的建設(shè)和施工，都要耗費(fèi)大量的人力物力，而無人機(jī)測控技術(shù)的全面應(yīng)用[1-3]，可以極大地提高測繪工程測繪的質(zhì)量，準(zhǔn)確地觀察到工程建設(shè)所需的特定標(biāo)繪數(shù)據(jù)，有效地保障測繪工程測繪的真實(shí)精度[4-5]。利用無人駕駛飛機(jī)航攝技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)工程勘察，是一項(xiàng)十分有意義的工作，有著廣泛的發(fā)展前景。

1 無人機(jī)航拍技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)

無人機(jī)航拍技術(shù)也可以被稱作無人機(jī)遙感技術(shù)，構(gòu)成部分主要包含了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等。這些技術(shù)在其他各個行業(yè)的應(yīng)用中已經(jīng)證明了其應(yīng)用價(jià)值，將該技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)工程測量測繪工作，一定會發(fā)揮出很大的優(yōu)勢，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)圖

與傳統(tǒng)的人工測繪相比，無人機(jī)航拍技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)省了大量人力。另外，與之前使用的大型飛行器安裝在裝備上進(jìn)行的制圖工作相比，這種微型飛行器的操作更加簡便，而且對操作的要求也更低。在使用大型飛機(jī)時需要向相關(guān)部門進(jìn)行報(bào)備、審批等。無人機(jī)因?yàn)槌叽绫容^小，便于攜帶，所以可以節(jié)省大量的測量和測繪費(fèi)用，特別是在某些比較復(fù)雜的地形上，還可以減輕限制，進(jìn)行靈活的飛行，所以這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)許多大型飛機(jī)不能進(jìn)行航拍的測繪工作。在資料采集完畢后，有關(guān)人員利用實(shí)際的信息技術(shù)指導(dǎo)無人機(jī)返回，保障無人機(jī)自身的安全和相關(guān)資料的安全。根據(jù)目前的實(shí)際需要，對采集到的資料進(jìn)行處理和分析。為了保證測繪工程的整體進(jìn)度，還需要對已有的資料進(jìn)行再建模和優(yōu)化。在目前的工作中我國測繪工程的實(shí)施主要是采用無人機(jī)測量技術(shù)對其進(jìn)行系統(tǒng)的測量與分析，該作業(yè)模式的實(shí)施還可以減少目前的工作強(qiáng)度，提高測量精度。采用該方法可以有效地降低因傳統(tǒng)測繪方法的不成熟而導(dǎo)致的各種安全事故，保證了后期測繪工程的整體質(zhì)量。與傳統(tǒng)的測繪工程數(shù)據(jù)測繪相比，采用無人機(jī)技術(shù)可以大大縮短測繪工作的時間，還可以對實(shí)際的位置進(jìn)行拍照和分析，讓測繪人員對目前的測繪工程現(xiàn)狀進(jìn)行全面的分析，為后續(xù)的建設(shè)和施工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 無人機(jī)航拍技術(shù)構(gòu)成及其相關(guān)架構(gòu)

遙感信息采集系統(tǒng)和遙感信息處理系統(tǒng)是無人機(jī)航拍技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成，前者包括無人機(jī)遙感平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)，后者包括遙感相片處理、三角測量系統(tǒng)、三維建模系統(tǒng)，技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)航拍測繪技術(shù)流程圖

通過實(shí)際應(yīng)用，可以看出，在無人機(jī)航拍作業(yè)中，遙感信息收集系統(tǒng)的核心工作是信息收集，而相應(yīng)的操作介質(zhì)是無人機(jī)飛控系統(tǒng)。因此，這個系統(tǒng)的工作就是在經(jīng)過定位導(dǎo)航，到達(dá)所要測量的區(qū)域之后，要對無人機(jī)加速度計(jì)、陀螺等的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，在傳輸信息的時候，要對其進(jìn)行控制，讓其在指定的工作區(qū)域內(nèi)完成任務(wù)。而在地面監(jiān)控系統(tǒng)中，無人機(jī)航拍是使用IMU/GPS 技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航的航拍，其拍攝的畫面會被及時傳送和調(diào)整，這就需要依靠地面監(jiān)控系統(tǒng)來完成。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)測軟件、天線、計(jì)算機(jī)等，通過這些設(shè)施，可以讓地面人員監(jiān)測航拍，通過系統(tǒng)間相互及時的信息傳輸，對信息進(jìn)行分析處理，大大降低了工作量。在遙感信息處理系統(tǒng)中，獲取影像信息是其最主要的工作，但是所獲取的原始影像通常都是混亂不堪、毫無價(jià)值的，因此需要對影像進(jìn)行處理才能達(dá)到其實(shí)用價(jià)值，這時就需要將影像處理的功能發(fā)揮出來。其主要作業(yè)內(nèi)容：影像資料的注記，需運(yùn)用空域三角法，經(jīng)3次加密后，建立3D 立體模型，最終產(chǎn)生所需的核線圖。該系統(tǒng)的另外一個版塊是三維建模系統(tǒng)，負(fù)責(zé)建立圖像對應(yīng)的數(shù)字模型，利用建模軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得結(jié)果，為設(shè)計(jì)方案的確定提供參考。

除此之外，還有傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的無人機(jī)飛行測量系統(tǒng)。無人機(jī)航測遙感技術(shù)將遙控、遙感、航空測量三者結(jié)合在一起，以數(shù)據(jù)信息的快速處理平臺為基礎(chǔ)，為其提供了技術(shù)支撐，可以對地面展開快速、實(shí)時的調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測。無人機(jī)平臺還配備了控制系統(tǒng)和傳感器飛行器，從機(jī)翼的形狀來看，可以被分成2 種，一種是旋翼，另一種是固定翼。現(xiàn)在很多用戶都更傾向于旋翼，因?yàn)槠錂C(jī)身結(jié)構(gòu)更容易控制飛行姿態(tài)，而其驅(qū)動方式則有燃油驅(qū)動，電動驅(qū)動。慣導(dǎo)與飛行控制技術(shù)是控制整個無人機(jī)飛行姿態(tài)和配載配置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包含了傳感器、慣導(dǎo)及接收器，構(gòu)成了無人機(jī)系統(tǒng)的核心技術(shù)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行導(dǎo)航定位，在出現(xiàn)危險(xiǎn)時能夠快速地進(jìn)入著落狀態(tài)，并保證安全著陸。非傳統(tǒng)無人機(jī)航測系統(tǒng)的造價(jià)成本較低，但是尺寸很小，價(jià)格也很低。在使用上，對環(huán)境的要求也很低，而且還擁有輕能化的優(yōu)點(diǎn)，可以將其應(yīng)用擴(kuò)展到某些軍事領(lǐng)域上。

3 無人機(jī)航拍技術(shù)在測繪工程測量中的應(yīng)用

3.1 決定制圖范圍和航路

目前大多數(shù)無人偵察機(jī)的航程都比較短，除了起降的時間，一般只有30 min，這是為了防止無人偵察機(jī)因?yàn)槟芰坎蛔愣鴫嫐А榻鉀Q這一問題，必須對拍攝范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的劃分，以便合理規(guī)劃拍攝時間、拍攝架次、拍攝路線。一般來說，在一個具體的大范圍內(nèi)，要進(jìn)行分步的測量，最好一次航拍就可以完成，這樣才能有更多的規(guī)劃進(jìn)行后續(xù)的航拍工作。此外，在拍攝的過程中，還需要根據(jù)特定的航拍范圍來決定路徑，從而避免因?yàn)橹貜?fù)拍攝而導(dǎo)致的工作效率下降、時間資源的浪費(fèi)，如圖3 所示。

圖3 無人機(jī)航拍航路

3.2 航空攝影點(diǎn)及分區(qū)控制網(wǎng)的布設(shè)

在進(jìn)行航拍之前，需要對特定的地區(qū)進(jìn)行定位，這樣可以保證整體的拍攝過程更加的合理和標(biāo)準(zhǔn)化。在進(jìn)行拍攝點(diǎn)的布置時要根據(jù)具體拍攝的環(huán)境，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，減少對環(huán)境的影響，保證信息處理系統(tǒng)對傳回的數(shù)據(jù)有更準(zhǔn)確的分析。同時還需要建立區(qū)域控制網(wǎng)來提升測量和測繪工作的精度，并與實(shí)際的測量面積建立相應(yīng)的控制網(wǎng)，保證在控制的區(qū)域內(nèi)設(shè)置GPS 參考點(diǎn)，并用專業(yè)的坐標(biāo)信息來表達(dá)，以便于后期的處理。其中，線路的計(jì)算和坐標(biāo)的設(shè)定是十分關(guān)鍵的，若不正確的設(shè)定，將會嚴(yán)重地影響測量和測繪工作的進(jìn)展。

3.3 數(shù)據(jù)處理

多年來的使用經(jīng)驗(yàn)證明，無人機(jī)航拍技術(shù)具有靈活、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，工作人員在進(jìn)行勘探數(shù)據(jù)信息及對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理時要充分利用該技術(shù)的功能，利用高度匹配計(jì)算設(shè)備，通過數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動提取，并對疊加效應(yīng)進(jìn)行處理，最終達(dá)到三維地表的渲染。在這一過程中，工作人員需要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并將測試結(jié)果與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對照、進(jìn)行修正。在目前的工程建設(shè)中無人機(jī)的航測信息系統(tǒng)比較多，而且大部分都是根據(jù)國內(nèi)的實(shí)際情況開發(fā)出來的，無人機(jī)在運(yùn)行的時候，可以根據(jù)實(shí)際情況，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。還可以利用相關(guān)技術(shù)，對目前的影像點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時的拍攝和處理，使測繪工作者可以更好地了解目前各個項(xiàng)目的具體特征，保證各個項(xiàng)目的施工質(zhì)量。在進(jìn)行無人機(jī)飛行測量資料的內(nèi)業(yè)處理中必須先進(jìn)行圖像的校正。主要是由于相機(jī)本身的特性所限，在鏡頭的邊緣處會出現(xiàn)較大的失真。在圖像數(shù)據(jù)的格式和糾錯過程中要結(jié)合攝像機(jī)的型號和檢查數(shù)據(jù)，采用專門的處理軟件，對航空數(shù)據(jù)進(jìn)行三次加密，如圖4 所示。

圖4 空三加密處理成果

現(xiàn)在可以使用的軟件更多是空三加密，其處理流程基本都是壓制的，都應(yīng)該在新建項(xiàng)目后導(dǎo)入數(shù)據(jù)，然后自動產(chǎn)生航線，并對圖像進(jìn)行處理和分析。在提取出重點(diǎn)和測量刺點(diǎn)后，再進(jìn)行平差和精度評估，為建立數(shù)據(jù)模型打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)算時測量員要在新的工程后面增加一個控制點(diǎn)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終對已完工的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在求解過程中首先將航空測量資料導(dǎo)入DATmaxtrix 軟件，并建立了三維坐標(biāo)系統(tǒng)，使航空測量資料與定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）資料相符合。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算與優(yōu)化。測量員可以將版面資料和有關(guān)檔案資料輸入到控制點(diǎn)編輯器中標(biāo)示出空域。為了保證控制的精度滿足測量的需要，在數(shù)據(jù)處理完畢后，還要對其進(jìn)行檢測。

在數(shù)據(jù)處理完畢后，還要根據(jù)測繪工程的特定要求，對其精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評價(jià)。在精度評價(jià)方面，可以采用2 種方法：模型的精度評價(jià)和成果的精度評價(jià)。在采用成果精度評價(jià)方法時主要是對不符合成圖精度要求的資料進(jìn)行手工抽檢。而在使用模型精度評價(jià)方法時主要是通過與實(shí)際資料的比較，檢驗(yàn)兩者之間的關(guān)系。如果檢測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際資料有偏差，則要判定該偏差是否超出了測繪工程計(jì)量許可的限度。

3.4 電子制圖

工作人員還要對返回的攝影照片進(jìn)行二次加工，也就是對資料進(jìn)行分析和建模，利用三角測量系統(tǒng)建立3D 立體模型，引入資料，獲得核線照片，并對照片進(jìn)行剪輯，如圖5 所示。

圖5 無人機(jī)測繪三維實(shí)景模型

與特定的比率相比較并確定其結(jié)果，同時還需要對數(shù)字地圖的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，比如，放大標(biāo)記檢查等，以保證在接下來的工作檢驗(yàn)中，能夠獲得更加準(zhǔn)確的測量信息，最后，將數(shù)字地圖制作出來。無人機(jī)航拍技術(shù)已在地質(zhì)工程測量測繪工作中得到了廣泛的應(yīng)用，如圖6 所示。

圖6 無人機(jī)測繪成果

主要包括了如下幾種情況：專用地圖繪制工作，在進(jìn)行地圖的繪制之前，可以對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航拍測量，幫助工作人員獲取必須的數(shù)據(jù)與圖像，一些大型橋梁、鐵路公路工程的修建工作，在項(xiàng)目開展前作地形測繪等。還有就是礦山、油田、城市和鄉(xiāng)村的建設(shè)，都需要航空攝影。隨著我國旅游業(yè)等其他行業(yè)的迅速發(fā)展，無人機(jī)航拍技術(shù)在測量和測繪工作中所具有的巨大優(yōu)勢，將會發(fā)揮出更大的作用，從而推動各個行業(yè)工作的順利進(jìn)行。

4 結(jié)束語

在目前我國社會各個領(lǐng)域都在快速發(fā)展的情況下，需要先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的支撐。使用無人機(jī)航拍技術(shù)不僅可以使傳統(tǒng)的手工測量測繪工作變得更加簡單，還可以幫助工作人員更快、更準(zhǔn)確地獲得數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作減少了各種核對數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，極大地縮小了測量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的差異，節(jié)約了時間和人力。綜上所述，將無人駕駛飛機(jī)拍攝技術(shù)用于地質(zhì)工程勘測，可以以較小的投資，保證精確的成果，達(dá)到社會和經(jīng)濟(jì)的雙贏。