無(wú)人機(jī)航測(cè)及地理信息技術(shù)在地形測(cè)繪方面的應(yīng)用

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航測(cè)隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而快速發(fā)展，是重要的地理信息采集手段，具有作業(yè)成本低、工作效率高、測(cè)量精度高等特色，極大地提高了地形測(cè)繪的準(zhǔn)確性及可靠性。本文從無(wú)人機(jī)航測(cè)及地理信息技術(shù)的特色切入，結(jié)合實(shí)際探討了其在地形測(cè)繪領(lǐng)域方面的應(yīng)用，以期對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)工作提供參考，共同推動(dòng)測(cè)繪行業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展。 地形測(cè)繪是對(duì)測(cè)量區(qū)域的地形、地物等的相對(duì)位置在水平面上的投影和高程進(jìn)行測(cè)量，并按一定的標(biāo)記和符號(hào)，以特定的比例繪制成地形圖的過(guò)程，其成果廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)、地質(zhì)勘探、礦山開(kāi)采、城市規(guī)劃、用地分析及軍事等多個(gè)領(lǐng)域。地形測(cè)繪發(fā)展前期，主要使用測(cè)繪儀等進(jìn)行人工定位測(cè)量并繪制圖件，隨著遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，地形測(cè)繪工作開(kāi)始利用衛(wèi)星及機(jī)載測(cè)繪系統(tǒng)開(kāi)展，自此無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并發(fā)展壯大，逐漸成為現(xiàn)階段最常見(jiàn)地形測(cè)繪技術(shù)。利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，能快速、精準(zhǔn)、高效地獲取測(cè)量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，極大地提高了地形測(cè)繪的工作質(zhì)量和效率。 1 無(wú)人機(jī)航測(cè)及地理信息技術(shù) ? 1.1 地理信息技術(shù) 地理信息技術(shù)是集地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)于一體的空間信息系統(tǒng)。其中，地理信息系統(tǒng)是借助計(jì)算機(jī)的支持，對(duì)測(cè)量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)是利用GNSS(Global Navigation Satellite System, 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星結(jié)合通信技術(shù)，采用距離交會(huì)原理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)坐標(biāo)、高程的精準(zhǔn)確定的技術(shù)；遙感技術(shù)則是以航空航天設(shè)備、攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，利用其搭載的遙感器收集測(cè)量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取遙感數(shù)據(jù)的技術(shù)。以上技術(shù)相互配合、相輔相成，可廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪領(lǐng)域，減少測(cè)繪野外作業(yè)時(shí)間，下降測(cè)繪難度，提高地形測(cè)繪的效率和精度。 ? 1.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù) 無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)航測(cè)是航空攝影測(cè)量的一種，主要面向低空遙感領(lǐng)域，其發(fā)展得益于無(wú)人機(jī)技術(shù)及數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，航測(cè)無(wú)人機(jī)可分為固定翼無(wú)人機(jī)(見(jiàn)圖1)、旋翼無(wú)人機(jī)和復(fù)合翼無(wú)人機(jī)，通常由飛行器和遙控器(見(jiàn)圖2)組成，具有成本低、精度高、快速高效、靈活機(jī)動(dòng)、適用范圍廣等特色。其中，固定翼無(wú)人機(jī)靠動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的推力經(jīng)機(jī)身固定機(jī)翼產(chǎn)生升力，作業(yè)時(shí)需要以較快的速度保持飛行姿態(tài)，其缺點(diǎn)是無(wú)法在空中隨時(shí)懸停，其特性造成作業(yè)時(shí)無(wú)人機(jī)距測(cè)繪目標(biāo)較遠(yuǎn)，獲取的遙感影像分辨率較低；旋翼無(wú)人機(jī)是由其旋翼相對(duì)機(jī)身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的升力保持飛行，三個(gè)旋翼以上的無(wú)人機(jī)稱多旋翼無(wú)人機(jī)，可在空中懸浮，近距離拍攝測(cè)繪目標(biāo)，拍攝獲取的遙感影像分辨率高，其缺點(diǎn)是作業(yè)時(shí)長(zhǎng)及速度較固定翼無(wú)人機(jī)低；復(fù)合翼無(wú)人機(jī)又稱垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，其動(dòng)力設(shè)備既包含固定翼也包含旋翼，集二者的優(yōu)點(diǎn)于一體，同時(shí)解決了固定翼無(wú)人機(jī)起降難的問(wèn)題。無(wú)人機(jī)航測(cè)在小范圍內(nèi)測(cè)繪工作效率更具優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、工程建設(shè)、土地資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處理、城市數(shù)字化建設(shè)、新農(nóng)村及小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面。 2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的特色 ? 2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)成本低 傳統(tǒng)的人工測(cè)量技術(shù)主要利用衛(wèi)星測(cè)繪，就同樣的測(cè)量區(qū)域而言，其所需人員、地形測(cè)繪費(fèi)用約是無(wú)人機(jī)航測(cè)的10倍左右，工期則是無(wú)人機(jī)航測(cè)的2倍左右。而無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備一經(jīng)采購(gòu)，其使用年限較長(zhǎng)，維護(hù)成本較低，測(cè)繪作業(yè)所需人工少、效率高，能有效地節(jié)省野外測(cè)量時(shí)間，從各方面來(lái)看，經(jīng)濟(jì)成本較人工測(cè)繪都有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)人機(jī)航測(cè)的作業(yè)周期短、測(cè)繪費(fèi)用低，可極大地提高相關(guān)公司的核心市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有助于公司擴(kuò)大業(yè)務(wù)量，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 ? 2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)快速高效 采用無(wú)人機(jī)航測(cè)進(jìn)行地形測(cè)繪時(shí)，工作人員可按測(cè)量區(qū)域?qū)嶋H情況設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行路線，優(yōu)化各項(xiàng)設(shè)置，合理控制無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)在最優(yōu)狀態(tài)下垂直或傾斜采集測(cè)量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間短，獲取影像數(shù)據(jù)高效便捷，能及時(shí)對(duì)測(cè)量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和控制，快速高效地完成地形測(cè)繪任務(wù)，特別是在大比例尺的地形測(cè)繪作業(yè)中，能不錯(cuò)地完成質(zhì)量控制，極大地下降測(cè)繪技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，提高地形測(cè)繪的工作效率。 ? 2.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)機(jī)動(dòng)性強(qiáng) 傳統(tǒng)測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，其高程點(diǎn)需人工到位測(cè)量，某些區(qū)域如地形險(xiǎn)峻、河流湍急、濕地等區(qū)域，人工測(cè)量難以滿足測(cè)繪作業(yè)需求。這時(shí)無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、反應(yīng)迅速、全面覆蓋的優(yōu)勢(shì)就完全體現(xiàn)了出來(lái)，而且其體積小，單人即可攜帶運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作場(chǎng)地和周邊氣候環(huán)境等方面的要求也不高，如多旋翼無(wú)人機(jī)隨時(shí)隨地可完成起飛作業(yè)任務(wù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際信息接收情況，對(duì)有疑慮的測(cè)繪區(qū)域及時(shí)補(bǔ)測(cè)；遇到現(xiàn)場(chǎng)工況確實(shí)比較差的情況，無(wú)人機(jī)也可靈活暫停作業(yè)，待現(xiàn)場(chǎng)工況符合作業(yè)條件后，繼續(xù)開(kāi)展后續(xù)的地形測(cè)繪工作。 ? 2.4 無(wú)人機(jī)航測(cè)精度高 對(duì)于人工測(cè)量中無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，常規(guī)測(cè)繪作業(yè)中普遍的測(cè)點(diǎn)間隔過(guò)大等情況，都是影響最終地形成圖精度的主要因素，無(wú)人機(jī)航測(cè)可無(wú)視絕大多數(shù)不利環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)，全方位獲取測(cè)量區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)。目前的無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備均配備精度極高的高清影像設(shè)備，在測(cè)繪作業(yè)中能快速清晰地獲取測(cè)量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)字影像分辨率高，并且影像中包含了坐標(biāo)信息即地形測(cè)繪所需的重要信息，為地形成圖提供高精度的原始資料。同時(shí)無(wú)人機(jī)航測(cè)具備高協(xié)調(diào)性，可同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星遙感、航空測(cè)繪數(shù)據(jù)，及時(shí)與地面控制系統(tǒng)形成互動(dòng)，及時(shí)修正有偏差的影像及數(shù)據(jù)，極大地保證地形測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量。 ? 3 當(dāng)前無(wú)人機(jī)航測(cè)存在的不足 ? 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)與地理信息技術(shù)結(jié)合后獲得了快速發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻，但同時(shí)也存在一定的不足。例如多旋翼無(wú)人機(jī)總體質(zhì)量較小，高空風(fēng)力會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)產(chǎn)生不利影響，造成其飛行不夠平穩(wěn)，造成最終獲取的影像數(shù)據(jù)的清晰度下降；另外無(wú)人機(jī)設(shè)備傳感器發(fā)展仍存在一定的缺點(diǎn)，精度不夠高，因而影響了航測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；同時(shí)電子通信技術(shù)也是影響無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的因素之一。為了提高無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，還必須科學(xué)規(guī)范地開(kāi)展航測(cè)工作。 ? 4 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用 ? 4.1 像控點(diǎn)布設(shè)的應(yīng)用 利用無(wú)人機(jī)航測(cè)進(jìn)行地形測(cè)繪時(shí)，像控點(diǎn)布設(shè)尤為重要，其布設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系著測(cè)繪質(zhì)量的高低，因此需要科學(xué)合理地布設(shè)像控點(diǎn)。無(wú)人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)設(shè)置可按測(cè)量區(qū)域均勻布設(shè)，各像控點(diǎn)間應(yīng)有一定的幾何強(qiáng)度，布點(diǎn)應(yīng)滿足規(guī)范要求的密度，盡量挑選方便查找處理的位置，如住房角點(diǎn)、斑馬線角點(diǎn)、地物交叉點(diǎn)等，當(dāng)無(wú)明顯地物或地標(biāo)時(shí)，可以人工噴油漆等方式進(jìn)行標(biāo)記布點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)挑選清晰易識(shí)別、固定不移動(dòng)、平整無(wú)陰影、無(wú)外物遮擋的區(qū)域。像控點(diǎn)布設(shè)的密度應(yīng)結(jié)合測(cè)區(qū)地形和測(cè)繪精度要求確定，對(duì)于地形地貌較為復(fù)雜的區(qū)域，需要適當(dāng)增加適量的像控點(diǎn)。對(duì)于像控點(diǎn)的坐標(biāo)及高程采集，精度需控制在5cm以內(nèi)，通常使用較多的是RTK(Real-Time Kinematic, 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位)方式，在此期間，應(yīng)保證RTK接收機(jī)與無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、端口等一致，以保證獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。在后期室內(nèi)資料處理時(shí)，可用相關(guān)軟件導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)信息，對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，對(duì)影像數(shù)據(jù)中不滿足要求的像控點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 ? 4.2 空中三角測(cè)量的應(yīng)用 空中三角測(cè)量也稱為攝影測(cè)量加密、空三加密，其原理是利用已知的像控點(diǎn)坐標(biāo)，利用攝影測(cè)量解析法求解所有影響的外方位元素，要求每個(gè)模型的已知點(diǎn)不小于4個(gè)。目前大量使用的全自動(dòng)處理的GodWork空三軟件，利用獲取的影像自動(dòng)匹配航向和旁向的像點(diǎn)，并對(duì)影像根據(jù)外業(yè)控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理校準(zhǔn)，求得像片的外方位元素，再利用雙像或?qū)ο窨臻g前方交會(huì)法，獲取全部加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在無(wú)人機(jī)航測(cè)作用時(shí)，獲取的是多個(gè)獨(dú)立的影像，其之間靠連接點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此除了無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備的精度、坐標(biāo)量測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的水平之外，影像間連接點(diǎn)的測(cè)量精度也在一定程度上決定了地形測(cè)繪成果的質(zhì)量。 ? 4.3 補(bǔ)充測(cè)量的應(yīng)用 在測(cè)量區(qū)域具體的地形測(cè)繪過(guò)程當(dāng)中，可能存在無(wú)人機(jī)航測(cè)的盲區(qū)，這就要求測(cè)量人員根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況分析，科學(xué)合理地布置無(wú)人機(jī)航線及像控點(diǎn)，保證不可遺漏，確保獲取的航測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)應(yīng)及時(shí)地對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，對(duì)出現(xiàn)遺漏的區(qū)域及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，同時(shí)也可以采用外業(yè)調(diào)繪的方式，對(duì)初步形成的地形資料進(jìn)行檢驗(yàn)分析，以減少和消除偏差，更好地保證地形測(cè)繪的準(zhǔn)確性和可靠性。 ? 5 ?結(jié) 束 語(yǔ)? ? 隨著科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，地形測(cè)繪行業(yè)在無(wú)人機(jī)航測(cè)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)步，其相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)，具作業(yè)成本低、工作效率高、測(cè)量精度高等諸多特色，極大地提高了測(cè)繪工作的質(zhì)量和效率，是一種可大力推廣應(yīng)用的新型測(cè)繪技術(shù)，為測(cè)繪行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。 文章來(lái)自：https://mp.weixin.qq.com/s/IXWlVglryn6Ku_6wweRwvw