分析無人機航測技術在航道工程中的應用

孫亮　劉培杰　劉錕

【摘要】隨著科技的發(fā)展，無人機的應用領域不斷擴展，既可以作為私人玩具，比如，小型無人機;也可以應用到工業(yè)領域和勘測領域。航道工程中，無人機的應用主要體現(xiàn)在無人機的航測技術，幫助人們更好地進行航道監(jiān)測，提升航道的維護效率。本文首先分析無人機航測技術概述、技術特點，然后探討無人機航測技術在航道工程中的應用。

【關鍵詞】無人機 航測技術 航道工程 應用

1無人機航測概述

1.1無人機航測

無人機航測是一種有別去傳統(tǒng)航空的手段，是對傳統(tǒng)航空測量的一種強力補充，有著高效快速、機動靈活、成本低、精準度高、生產(chǎn)周期短、適用范圍大的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)飛行困難地區(qū)、小區(qū)域范圍內(nèi)的影像捕捉。數(shù)碼相機和無人機技術的發(fā)展，其應用領域越來越廣泛，在重大工程、災難應急、資源開發(fā)、城鎮(zhèn)建設、國土監(jiān)察等領域的應用也十分常見，尤其是對于土地資源監(jiān)測、基礎測繪、動態(tài)監(jiān)測、應急救災測繪以及數(shù)字城市建設等方面應用前景非常廣闊。

1.2無人機航測技術特點

首先，反應能力快，實現(xiàn)快速航測。利用無人機進行航測，大多是低空飛行，這樣不容易受到氣候的影響，而且空域申請比較容易。無人機對于起降地沒有太多的要求，只要是有著一段比較平坦的陸地，便可以完成起降。使用無人機進行影響拍攝時，取代飛行員，不用顧忌飛行員的人身安全，因此，可以將無人機用于那些人類難以達到的區(qū)域進行檢測。

其次，時效性以及性價比較高。傳統(tǒng)的航空拍攝使用到衛(wèi)星遙感技術，但面臨著時效性較差的問題，影像拍攝和存檔需要較多的時間;借助無人機進行航測工作實現(xiàn)了隨時拍攝，與人機測繪和衛(wèi)星測繪比較，短時間內(nèi)便可完成測繪，滿足用戶需求，優(yōu)勢十分明顯。

最后，受限制較小。我國有著幅員遼闊的領土，不同區(qū)域之間的氣候、地形的要素復雜，比如，部分區(qū)域常年受到云層、積雪等，影響到衛(wèi)星遙感技術。如果航空飛行高度過高，超過5000米，必然要收到云層的影響，拍攝圖像質(zhì)量下降，而且危險較大。無人機則突破了航高限制，而且拍攝質(zhì)量和精度要遠遠超過大型飛機航拍。

2無人機航測技術在航道工程中的應用

2.1航道項目簡介

本文選擇的淮河流域內(nèi)，三河尖到臨淮崗段，該區(qū)域內(nèi)地貌變化并不大，主要為河床一河漫灘相，流域底部受到商業(yè)活動的影響，例如采沙，河底有著一定高程差。南照大橋連接該區(qū)域的南北兩岸，該區(qū)域在測繪期間，剛好趕上南照大橋進行大修，這種突發(fā)因素的出現(xiàn)，給測區(qū)的水準測量、平面控制等工作帶來極大地挑戰(zhàn)。除去南照大橋之外，還可以通過水運交通的方式，利用區(qū)域內(nèi)的水利樞紐，王莊、牛臺、畢臺、臨淮崗等樞紐運送測量裝備。根據(jù)區(qū)域航道的地形，周圍有著樹木和植被的覆蓋，加上多河漫灘地形的存在，完成該區(qū)域內(nèi)航道的地貌測量工作，采取常規(guī)測量的方式，需要花費大量的時間。因此，采取無人機進行航測。

2.2航線設計

航線設計是采集遙感信息的關鍵工作內(nèi)容，也是航空拍攝的指導性和技術性文件，有著不言而喻的重要性。進行遙感信息采集時，需要考慮到采集區(qū)域的地形地貌、測量的范圍、測繪的精度要求，同時結合現(xiàn)有的測量設備、影響用途、測繪目的等要求進行綜合的規(guī)劃設計，才能保證測量工作的順利完成。

完成航線規(guī)劃之后，仔細檢查航線，主要檢查航線是否設計合理，是否存在出點落水不利的情況，與此同時，判斷分區(qū)是否合理、區(qū)域是否覆蓋齊全、區(qū)域內(nèi)的定刑高差等方面內(nèi)容，確定攝影航空高，一般選擇1/6攝像航高較多，并選擇合適的飛行高度、攝影基面、分辨率。航高保持在一定高度時，其他測量參數(shù)不變的前提下，地面分辨率需要位于攝影區(qū)域的最低位置，而最小相片重疊區(qū)則需要位于最高點。詳見，表一。為了提升測繪的精準度，對于像片重疊度以及地面分辨率需要控制到一定范圍內(nèi)，詳見公式。

2.2.1地面分辨率GSD=（H△h高程）*a/f，公式中，GSD代表最低地面分辨率;h為相較于攝影基準面的攝影航高;△h高程為基準高程與最低高程之差;a為像元尺寸;f為鏡頭焦距。

表一、攝影航高與分辨率、焦距對照表

2.2.2最高處像片重疊度計算

px=p′x+（1-p′）x△h/H

qy=q′y+（1-q′）y△h/H

px代表航向重疊度、qy代表旁向重疊度，△h攝影基準面的高差、H航高。進行航路設計時，考慮到存在的高差，確保像片有著一定的重疊度。通常情況下，航向重疊度需要保持在60%-80%之間;旁向重疊度則需要保持在30%一60%之間。

2.2.3圖片處理與分析

失真重采樣、圖像拼接是圖像預處理的2個步驟。對于原始圖像數(shù)據(jù)，需要對其進行重新采樣，才能方便攝影測量工作站開展后續(xù)的處理工作。如果使用的系統(tǒng)為多面陣數(shù)字航空攝影系統(tǒng)，圖像匹配工作就是圖像拼接的核心工作內(nèi)容。該航道項目使用SSK工作站的方式，采取空三加密的方式。按照航道工程圖像分布和飛行線路的實際情況，對航測空間進行區(qū)域網(wǎng)絡劃分，并進行加密。空三加密可以采取手動和自動組合的方式，也就是進行像位點測量，從而消除偏差。通過手動調(diào)整的方式，調(diào)整連接點，使其符合規(guī)格，確保連接點處于矢量點2/3像素內(nèi)。通過添加外業(yè)像控點的方式，定向本區(qū)大地，平均高程誤差0.17m，檢驗點誤差0.3m，根據(jù)無人機航空測量要求，其加密結果最終可以滿足1：2000數(shù)據(jù)采集工作的需要。在此，我們重點提及一下空三加密的檢查內(nèi)容，主要包括信息文件設置、像素匹配、空中失真校正、影響文件設置、導航鏈接以及控制點轉移等內(nèi)容。完成空中三角測量之后，根據(jù)相同的點、控制點，系統(tǒng)生成DEM，依照DEM進行影像制作。影像制作過程中，使用處理軟件，對圖片進行羽化處理和曝光，從而保證影像有著均勻平滑的顏色，詳見圖1.

圖1為三河尖-臨淮崗區(qū)域的航道影像圖

3結語

綜上所述，無人機技術的應用范圍十分廣泛，在航道測量中的應用相較于傳統(tǒng)的測量有著明顯的優(yōu)勢，比如，反應快、時效性高、受限制小，也就是更加地靈活高效，可以代替人工測量，擺脫大型機械的飛行限制，提升測量的效率和拍攝質(zhì)量。本文結合三河尖——臨淮崗區(qū)域的實際應用為例，分析航道測量工作需要重點關注的內(nèi)容，希望對這些關鍵技術的研究，為無人機在航道測量中的應用，提供參考和借鑒，同時也是對無人機航道測量技術的一種宣傳和推廣。