無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程中的研究

孫姝婭

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)充分運(yùn)用于農(nóng)林植保、物流快遞、電力巡線、石油/天然氣管道巡檢、氣象探測(cè)、森林防火、警用巡邏、海洋遙感等等諸多行業(yè)場(chǎng)景當(dāng)中，更與測(cè)繪工程有著緊密的聯(lián)結(jié)。在測(cè)繪工程中運(yùn)用無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有更低的運(yùn)營成本、更高的精準(zhǔn)度等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)運(yùn)用示例的研究，分析了無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程中可運(yùn)用的部分以及實(shí)施步驟。

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展，而經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國無人機(jī)技術(shù)不斷成熟，充分地運(yùn)用到了導(dǎo)航、航空、數(shù)字通訊、傳感器當(dāng)中。無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用具有快速的信息處理、高精度定位等優(yōu)良的特點(diǎn)，可以在保障測(cè)繪質(zhì)量的基礎(chǔ)上大幅度地降低測(cè)繪成本。無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及如何在測(cè)繪工程中融合無人機(jī)遙感技術(shù)值得我們深入的探討。

一、無人機(jī)遙感技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無人機(jī)的設(shè)計(jì)概念最早起源于第二次世界大戰(zhàn)，運(yùn)用于軍工領(lǐng)域當(dāng)中。而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的逐步穩(wěn)定各發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)逐步走入了民用領(lǐng)域，可分為消費(fèi)級(jí)無人機(jī)和工業(yè)級(jí)無人機(jī)。工業(yè)級(jí)無人機(jī)應(yīng)用到涉及國計(jì)民生的很多領(lǐng)域，發(fā)揮著各種重要的生產(chǎn)力作用。工業(yè)級(jí)無人機(jī)在行業(yè)應(yīng)用的深度和廣泛是技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)長(zhǎng)期積累的結(jié)果，在各行業(yè)不同細(xì)分領(lǐng)域具有極大的商業(yè)價(jià)值，可以深入應(yīng)用于農(nóng)林植保、電力巡線、石油管道巡檢、物流快遞、國土測(cè)繪、氣象探測(cè)、森林防火、警用巡邏、海洋遙感等等諸多行業(yè)場(chǎng)景。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018-2023年中國工業(yè)無人機(jī)行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》預(yù)測(cè)，到2025年，國內(nèi)民用無人機(jī)市場(chǎng)總規(guī)模將達(dá)750億。其中工業(yè)無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)450億——農(nóng)林植保約為200億，安防市場(chǎng)約為150億，電力巡檢約為50億，而用于航拍娛樂的消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)為300億。在安防領(lǐng)域，警用安防無人機(jī)可采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并迅速傳送到指揮中心，跟蹤事件的發(fā)展態(tài)勢(shì)，供指揮者進(jìn)行判斷和決策。此類無人機(jī)還可以多角度大范圍的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，具有不可替代的作用，是一般監(jiān)控設(shè)備無法比擬的。除此之外，它還具有定制化的特點(diǎn)，警用無人機(jī)常常搭載空中喊話、催淚瓦斯、安防監(jiān)控等裝置。通過搭載不同設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，較早在實(shí)際中應(yīng)用。另一方面，自然災(zāi)害、事故災(zāi)害和社會(huì)安全等突發(fā)公共事件每年會(huì)在我國造成數(shù)百萬的人員傷亡，累計(jì)年經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億。而無人機(jī)在處理突發(fā)事件及救災(zāi)搶險(xiǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代搶險(xiǎn)技術(shù)應(yīng)用的一種方式。除此之外，無人機(jī)還用于探測(cè)、定位和監(jiān)視森林火災(zāi)，采集有關(guān)災(zāi)害信息等。

二、無人機(jī)系統(tǒng)的組成

1.控制站

控制站是無人機(jī)系統(tǒng)操作人員的在地工作站點(diǎn)，是無人機(jī)任務(wù)的與規(guī)劃中心。操作員在控制站通過無線電通信系統(tǒng)與無人機(jī)聯(lián)結(jié)，控制飛機(jī)的飛行路線、對(duì)飛機(jī)攜帶的各種任務(wù)荷載進(jìn)行操縱。通過無線電通信系統(tǒng)操作人員可以將指令或其他控制信息傳輸?shù)斤w機(jī)，并接受飛機(jī)傳回的圖像、地理位置、天氣信息等數(shù)據(jù)。

2.導(dǎo)航系統(tǒng)

在無人機(jī)系統(tǒng)的使用中，飛機(jī)與操縱者都需要掌握飛機(jī)飛行的實(shí)時(shí)定位，即使對(duì)于全自主飛行模式的飛機(jī)而言，也需要配備足夠的導(dǎo)航設(shè)備以便能對(duì)飛機(jī)進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控。無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)主要由以下幾種類型構(gòu)成：1.雷達(dá)跟蹤。在無人機(jī)上裝載雷達(dá)系統(tǒng)可以接收操作員發(fā)射的雷達(dá)信息，在通過響應(yīng)將飛機(jī)的定位與距離傳回顯示器上；2.無線電跟蹤。無人機(jī)通過下行通信鏈路將無線電數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送給控制點(diǎn)，控制點(diǎn)可以利用信號(hào)持續(xù)地追蹤信號(hào)源，從而確定無人機(jī)實(shí)體的實(shí)時(shí)定位，并根據(jù)編碼信號(hào)的傳輸時(shí)間來確定飛機(jī)與控制站之間的距離。

3.發(fā)射和回收設(shè)備

發(fā)射設(shè)備：對(duì)于某些無法進(jìn)行垂直起飛的無人機(jī)，需要將其利用橡皮經(jīng)彈射、壓縮氣體、火箭等推力產(chǎn)生系統(tǒng)，在傾斜的滑道上加速以獲得飛行所必須的初速度?；厥赵O(shè)備：無法垂直飛行的無人機(jī)可以采用輪式/滑撬滑降著陸或者配備回收設(shè)備。這種設(shè)備類似于降落傘安裝的無人機(jī)上，在一定的高度打開并采用氣囊等緩沖手段保障回收安全，下降到一定高度以較低的速度被捕獲回收。

4.無人機(jī)實(shí)體

無人飛機(jī)的無人機(jī)系統(tǒng)中主要是承載荷載、數(shù)據(jù)傳輸、具體環(huán)境掃描等任務(wù)。無人機(jī)實(shí)體上主要搭載了通信鏈、發(fā)動(dòng)機(jī)、穩(wěn)定設(shè)備、供電設(shè)備等裝置，外觀上可觀測(cè)到平臺(tái)機(jī)身、機(jī)高與翼展。系統(tǒng)任務(wù)的需求決定采用飛機(jī)的類型，例如旋翼飛機(jī)適用于遠(yuǎn)程環(huán)境掃描任務(wù)，而固定翼飛機(jī)適用于軍事長(zhǎng)航等高空作業(yè)任務(wù)。

三、無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程中的優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，在測(cè)繪工程中也占有一席之地并顯露出了其優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)航測(cè)費(fèi)用低、工期短，相比人測(cè)有節(jié)省時(shí)間，降低人力成本，有正射影像，而且精度好的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。具體來說表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1.節(jié)約測(cè)量的財(cái)務(wù)與人力成本

在測(cè)繪工程中，地形地物的高差過大、地形過于復(fù)雜、天氣惡劣等各種原因會(huì)導(dǎo)致測(cè)繪費(fèi)用成本非常大。例如：城郊約50平方公里，有山地、農(nóng)田及部分建筑。人測(cè)約12萬，航測(cè)外業(yè)兩天轉(zhuǎn)換增加的內(nèi)業(yè)約1.2萬，費(fèi)用航測(cè)是人測(cè)的十分之一。除此以外，無人機(jī)測(cè)繪的工期也更短，航測(cè)工期約為人測(cè)的十分之一。在云南一測(cè)繪項(xiàng)目中，部分區(qū)域使用勁鷹無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在實(shí)際項(xiàng)目中人測(cè)投入是航測(cè)的5倍，工期也是航測(cè)的兩倍，無人機(jī)航測(cè)及內(nèi)業(yè)人員是人測(cè)人員的十分之一，如4人即可完成約20人的兩倍工作量。費(fèi)用低、工期短以及省人力的特點(diǎn)使得公司易于維護(hù)精干人員的穩(wěn)定性，技術(shù)不易外泄。

2.無人機(jī)遙感技術(shù)測(cè)量率有效性高

測(cè)量率是測(cè)繪工程中重要的衡量指標(biāo)，測(cè)量率的有效性是測(cè)量有效的基本條件，如果測(cè)量的效率太低會(huì)間接地對(duì)后續(xù)處理產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重者甚至拖延工期或者是帶來其他更為惡劣的連鎖反應(yīng)。而由于無人機(jī)的測(cè)量過程均使用電子集成系統(tǒng)，避免了在測(cè)量過程中產(chǎn)生人為的誤差，測(cè)量率有效性高。并且在人工測(cè)量不適合的地形、天氣等條件下，無人機(jī)技術(shù)依然可以暢通無阻地進(jìn)行測(cè)量，提升了測(cè)量的效率。無人機(jī)遙感技術(shù)運(yùn)用到測(cè)繪工程中可以改善測(cè)繪時(shí)產(chǎn)生的人工誤差、縮短測(cè)量時(shí)間、改善測(cè)量結(jié)果，最終保障測(cè)量率的高效性。在測(cè)繪工程的后期的繪圖處理時(shí)，精度常常在很大程度上受到人為的影響，認(rèn)真負(fù)責(zé)的繪圖人員制圖精美細(xì)致，而馬虎的繪圖人員會(huì)給整體項(xiàng)目帶來十分惡劣的影響。無人機(jī)航測(cè)的測(cè)量以及制圖只需要少數(shù)精干人員即可完成，特別在1：2000及1：1000的小比例尺項(xiàng)目中質(zhì)量控制甚至遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)，保障整體項(xiàng)目的質(zhì)量以及公司的口碑。

3.更大的測(cè)量范圍與測(cè)量尺度

無人機(jī)遙感技術(shù)在開闊的天空環(huán)境中展開測(cè)量，可以測(cè)量人工測(cè)量無法進(jìn)行的范圍而不受到復(fù)雜地形的限制，可以進(jìn)行高強(qiáng)度的作業(yè)不受到體力的限制。如今無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)可以對(duì)小范圍的測(cè)量達(dá)到較好的精準(zhǔn)度，在此基礎(chǔ)上可以逐步將測(cè)量范圍與測(cè)量尺度擴(kuò)大。與此同時(shí)，測(cè)量人員通過無人機(jī)的三維成像功能可以觀測(cè)到立體的實(shí)時(shí)影像。

4.更為高效的信息處理

無人機(jī)遙感技術(shù)能實(shí)時(shí)地將檢測(cè)的地理信息及時(shí)地傳送到監(jiān)測(cè)站并快速地處理知識(shí)，在檢測(cè)目標(biāo)區(qū)間內(nèi)，無人機(jī)運(yùn)用電子運(yùn)算在各方面的信息處理都擁有這更快的速度，能夠?yàn)樘嵘畔⒉杉侍峁┯行У谋Ｕ?，能極大地提高測(cè)繪工程的效率與準(zhǔn)確性。

四、無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用

通過將激光掃描儀、高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)以及輕型光學(xué)相機(jī)等可用于測(cè)繪測(cè)量的拍照設(shè)備安裝上無人機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的航拍攝影功能。再配置上一定內(nèi)存的存儲(chǔ)系統(tǒng)以及運(yùn)行處理系統(tǒng)，可以對(duì)實(shí)時(shí)拍攝到的圖像或是掃描的到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并保存或者及時(shí)傳送到終端，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用。

下面以江西某村為例，具體說明無人機(jī)航在測(cè)繪過程中的應(yīng)用，包括了無人機(jī)航攝、地形測(cè)量、空三加密、地形圖制作、DOM制作和DEM制作、無人機(jī)航攝影像成圖精度分析等工序。1.航空攝影。該村采取東西向飛行，平均航攝比例尺為1：23533，平均地面高度為1350米，其相對(duì)航高為650米。平均地面分辨率0.13米，滿足1：2000成圖要求。2.空中三角測(cè)量。量測(cè)外控點(diǎn)時(shí)，先量測(cè)測(cè)區(qū)四周的像控點(diǎn)以后進(jìn)行平差，其它像控點(diǎn)就可以通過預(yù)測(cè)的功能來找到大概位置達(dá)到快速量測(cè)目的。接著應(yīng)用外業(yè)工序提供基礎(chǔ)控制點(diǎn)參與計(jì)算，提升空三加密的整體精度，測(cè)量完后進(jìn)行最終的平差解算，最后給合適的權(quán)值強(qiáng)制平差。進(jìn)行連接點(diǎn)的交互編輯，根據(jù)刺好的控制點(diǎn)進(jìn)行光束法平差解算，直到加密完成，輸出空中結(jié)果。3. DEM、DOM 制作。首先，根據(jù)空三加密成果，對(duì)無人機(jī)航攝的原始影像進(jìn)行重樣生成核線影像。其次，系統(tǒng)自動(dòng)匹配三維離散點(diǎn)，得到攝區(qū)的DSM。最后，經(jīng)過自動(dòng)濾波便可得到DEM。再利用DPGrid系統(tǒng)全自動(dòng)生成DOM。4.地形圖制作。配合DEM將DOM進(jìn)行校正，然后在拼接生成完整的區(qū)域地圖。最后，將區(qū)域整體導(dǎo)入到VirtuoZo NT軟件中進(jìn)行測(cè)圖，生成最終的地形圖。5.無人機(jī)航攝影像成圖精度分析。采用GPS快速靜態(tài)方式獲取該攝區(qū)外業(yè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行抽樣精度分析。根據(jù)點(diǎn)位中誤差計(jì)算結(jié)果繪制點(diǎn)位誤差分布圖。點(diǎn)位誤差分布圖更直觀的反映了每個(gè)檢查點(diǎn)的誤差分布情況。

五、結(jié)語

無人機(jī)遙感技術(shù)是無人機(jī)與感應(yīng)技術(shù)的結(jié)合，常用于資源調(diào)查管理和監(jiān)測(cè), 環(huán)境監(jiān)測(cè),災(zāi)害評(píng)估等，并且可以部分替代測(cè)繪工程中的大量人工，具有很多優(yōu)勢(shì)且實(shí)際應(yīng)用廣泛。本文對(duì)無人機(jī)遙感發(fā)展現(xiàn)狀和系統(tǒng)構(gòu)成做了介紹，并分析了在測(cè)繪工程中運(yùn)用無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上以實(shí)例具體地講解了無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)量工程中的應(yīng)用步驟。