試論無人機測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

李平生

摘 要：無人機技術(shù)的日益成熟，使得無人機在地圖測繪、災(zāi)害監(jiān)測、地質(zhì)勘查等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無人機在飛行過程中，利用機載小型攝像機航拍目標區(qū)域的圖像、視頻，然后將這些數(shù)據(jù)信息傳輸回控制中心，方便管理人員動態(tài)化的了解目標區(qū)域的實際情況，從而為下一步開展相關(guān)工作提供了必要的參考。在這一過程中，如何提高無人機測繪數(shù)據(jù)處理的效率與質(zhì)量，成為決定無人機在測繪行業(yè)應(yīng)用效果的重要因素。文章著重介紹了包括三維視圖技術(shù)、相機校驗技術(shù)、空中三角測量在內(nèi)的幾種無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并簡單列舉了無人機測繪技術(shù)在民用領(lǐng)域的幾種應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：無人機；測繪數(shù)據(jù)處理；三維視圖；應(yīng)用

中圖分類號：P231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0147-02

Abstract： With the increasing maturity of UAV technology， UAV has been widely used in mapping， disaster monitoring， geological exploration and other civil fields. During the flight of the UAV， the images and videos of the target area are captured by the onboard small camera， and then these data are transmitted back to the control center， so as to lead the managers to know the actual situation of the target area dynamically and provide the necessary reference for pushing forward related work. In this process， how to improve the efficiency and quality of UAV surveying and mapping data processing has become an important factor to determine the effectiveness of UAV application in the surveying and mapping industry. This paper mainly introduces several data processing technologies of UAV surveying and mapping， including 3D view technology， camera calibration technology and aerial triangulation technology， and simply enumerates several applications of UAV mapping technology in civil field.

Keywords： unmanned aerial vehicle； surveying and mapping data processing； 3D view； application

1 無人機測繪技術(shù)的介紹

在無人機上搭載小型高精度的攝像設(shè)備，實現(xiàn)對目標區(qū)域的連續(xù)拍攝，同時將拍攝到的影像資料及時傳輸給地面控制中心，技術(shù)人員利用計算機設(shè)備完成對這些影像資料的分析、處理，為開展各項工作提供指導(dǎo)和參考。無人機測繪是無人機在民用領(lǐng)域的一項重要應(yīng)用，近年來無人機技術(shù)日益成熟，無人機的制作成本也不斷降低，這些條件都為無人機在測繪領(lǐng)域的廣泛使用提供了支持。在無人機測繪中，測繪精度是衡量無人機實際應(yīng)用效果的重要指標，通過探究無人機測繪數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對測繪數(shù)據(jù)的篩選、整合與利用，從而更好的發(fā)揮無人機的應(yīng)用優(yōu)勢。

2 無人機測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

（1）相機校驗技術(shù)。無人機通常搭載小型的非量測相機，這種相機不僅分辨率較高，且能夠在高速運動狀態(tài)下連續(xù)進行拍攝，是無人機獲取測繪信息的主要設(shè)備。但是這種非量測相機也具有一些缺點，例如相機的主距和主點未知，拍攝過程中可能會出現(xiàn)不對焦的問題，造成圖像畸變。為了獲取精確度更高的測繪數(shù)據(jù)，需要采用相機校驗技術(shù)，基本流程為：首先，選取就近的一處目標，先用數(shù)碼相機拍攝目標。然后讓無人機在高速飛行狀態(tài)下拍攝同一目標。此時無人機拍攝所得的照片會存在一定程度的畸變。然后利用計算機軟件對兩組照片進行校驗。以數(shù)碼相機拍攝的照片為基準，不斷調(diào)整非量測相機的主距和主點位置，直到無人機拍攝的照片與數(shù)碼相機拍攝的照片完全重合。在相機校驗技術(shù)中，除了自檢法外，還可以使用試驗場校驗、基于多像滅點的校驗方法，都可以取得類似的效果。（2）數(shù)字正射影像技術(shù)（DOM）。通過對航空相片的數(shù)字微分糾正與鑲嵌，并根據(jù)特定的圖幅范圍對進行裁剪而形成的數(shù)字正射影像集，其不僅具有地圖幾何精度，同時也具有一定的影像特征。無人機航空拍攝產(chǎn)生DOM的過程，主要有DEM數(shù)據(jù)處理、影像糾正處理、影像勻光勻色處理等，而DEM處理的質(zhì)量直接影響著DOM的精度。而DOM的產(chǎn)生過程，是人工工作量相對較大的環(huán)節(jié)，故鑲嵌線需要在沿著自然地物的同時，最大程度上避開人工建筑，以保證DOM的接邊精度滿足實際要求。（3）DEM生產(chǎn)。對于一些地理環(huán)境比較復(fù)雜的測繪目標，需要借助于無人機測繪技術(shù)構(gòu)建DEM（數(shù)字高程模型），以方便技術(shù)人員更加詳細的掌握測繪目標的各種情況。DEM作為一種對實體物體的數(shù)字化模擬，不僅能夠體現(xiàn)出現(xiàn)場情況的具體細節(jié)，例如道路、樹木和建筑等，而且可以根據(jù)工作需要，對這些虛擬模型進行隨意的修改。雖然無人機測繪數(shù)據(jù)的精度能夠滿足工作需要，但是對于一些重疊、遮擋的情況，仍然需要技術(shù)人員運用DEM技術(shù)，對測繪數(shù)據(jù)和虛擬模型進行人工編輯，這樣就可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正無人機航拍影像資料的缺陷。此外，將DEM與BIM相結(jié)合，還能夠利用電腦軟件生成測繪區(qū)域的三維模型，并且利用無人機高分辨力的測繪數(shù)據(jù)，還原測繪目標的細節(jié)，這也為提高無人機測繪的實用價值起到了支持。（4）PPK技術(shù)和INS技術(shù)。一般情況下，無人機的重量均比較輕，故其飛行姿態(tài)具有一定的不穩(wěn)定性，對影像處理的成果精度存在一定影響。所以，必須對無人機飛行過程中，拍攝每一張相片的姿態(tài)與位置進行準確記錄。PPK技術(shù)即動態(tài)后處理技術(shù)，是一種借助載波相位進行差分的GPS定位技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，PPK技術(shù)不僅對通視條件、季節(jié)、氣候以及能見度等外界環(huán)境條件的要求比較小，而且作業(yè)半徑比較大，能夠達到30千米。而INS技術(shù)即慣性參考系統(tǒng)，其屬于一種自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，既不向外界輻射能量，同時也不依靠外部信息。通過PPK技術(shù)和INS技術(shù)，能夠獲取具有較高精度的位置信息以及姿態(tài)信息，可以被應(yīng)用在空中的三角測量。（5）DLG生產(chǎn)。數(shù)字線劃圖（DLG），是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，且保存了各要素的空間關(guān)系信息和相關(guān)屬性信息。無人機航空攝影測量生產(chǎn)DLG主要過程包括在空三加密基礎(chǔ)上恢復(fù)立體像對、立體采集、外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)編輯成圖。DLG生產(chǎn)周期在數(shù)字測繪產(chǎn)品生產(chǎn)中最長，其立體采集需要專業(yè)技術(shù)人員佩戴3D眼鏡通過專業(yè)立體電腦采集。目前無人機測繪中，DLG的應(yīng)用還具有一定的局限性，這主要是因為DLG生成的圖形會受到地圖要素的影響，產(chǎn)生波動變化。如果無人機多次測繪獲取的地圖要素存在較大誤差，將會導(dǎo)致數(shù)字線劃圖中的坐標發(fā)生改變，也就失去了參考價值。因此，下一步的技術(shù)發(fā)展方向，就是要提高無人機測繪精度，盡可能的消除干擾影響，將DLG的誤差控制在一定范圍之內(nèi)，提高其使用價值。（6）空中三角測量。在無人機測繪數(shù)據(jù)處理中，空中三角測量對最終測繪結(jié)果的精度有直接影響。空中三角測量的內(nèi)容包括像點的匹配、平差的計算和電測的控制等內(nèi)容。其中，像點匹配可以由計算機來完成，技術(shù)人員可以事先在計算機上設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)，然后將無人機測繪獲得的像點導(dǎo)入計算機中，自動完成像點匹配。由于無人機在飛行過程中會不斷調(diào)整自己的飛行姿勢，因此拍攝角度也會發(fā)生變化，測繪數(shù)據(jù)中可能會出現(xiàn)一些誤差。在進行測繪數(shù)據(jù)處理時，可以引用迭代算法和像點匹配算法，以達到控制目標物體平面位置誤差和高層誤差的目的（如表1所示）。

在無人機測繪數(shù)據(jù)處理中，為了避免無關(guān)因素的干擾，還可以對測繪數(shù)據(jù)進行空三加密?？梢允褂肈ATMatriX軟件，遵循空中三角測量規(guī)范規(guī)定，以提高測繪數(shù)據(jù)處理的精度和效率。完成測繪數(shù)據(jù)處理后，可以繼續(xù)使用DATMatriX軟件進行仿真運行。

3 無人機測繪數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用

（1）礦山測繪。某地新發(fā)現(xiàn)一座礦山，為確保礦山開采安全，需要進行無人機測繪。具體測繪步驟如下：首先，進行無人機航線設(shè)計，通過航拍要獲取礦山的地形地勢、測區(qū)總面積、周圍交通等數(shù)據(jù)信息。根據(jù)礦山測繪需要，確定無人機飛行的具體參數(shù)，包括飛行高度、分辨率等。其次，做好地面控制工作，提前確定好若干個測繪點，方便無人機搭載的高精度數(shù)碼相機進行數(shù)據(jù)采集。在完成第一次航拍后，地面控制人員可以對無人機反饋的拍攝信息進行檢查。如果測繪數(shù)據(jù)達不到使用要求，需要調(diào)整無人機的拍攝角度、飛行高度，重新進行拍攝，直到獲取足夠多的測繪數(shù)據(jù)。最后，將無人機收集到的測繪數(shù)據(jù)進行整合、分析，得出礦山的具體信息，包括地勢特點、交通情況、植被覆蓋情況等，為下一步的礦山開采工作提供了詳細的指導(dǎo)。（2）國土測繪。國土測繪是國土資源管理中的重要技術(shù)，對提高土地資源利用效率、打擊違規(guī)占用土地行為起到了積極作用。由于土地資源的使用性質(zhì)一直處于動態(tài)變化過程中，傳統(tǒng)的國土測繪手段由于效率較低，測繪結(jié)果與實際情況存在較大的差異，給國土資源管理工作的開展增加了難度。而利用無人機進行國土測繪，則具有效率高、動態(tài)化的特點，可以快速完成大面積國土資源的拍攝工作。此外，無人機搭載高清攝像機，獲取的影像資料的分辨率較高，完全能夠滿足國土測繪的要求。無人機的環(huán)境適應(yīng)能力強，可以實現(xiàn)全天候的飛行監(jiān)控，對實現(xiàn)國土資源的動態(tài)化管理也提供了幫助。（3）公路邊坡崩滑測繪。某山區(qū)公路在一次強降雨后出現(xiàn)崩滑，由于公路一側(cè)為山體，另一側(cè)為深溝，現(xiàn)場勘測具有較大的安全風險，需要使用無人機進行測繪，為后期山區(qū)公路的修復(fù)提供參考數(shù)據(jù)。具體的測繪流程為：第一，檢驗無人機測繪精度，利用GPS和PPK測量方法，在實際地形中標記出20個測量點，并獲取這些點的精確坐標。然后利用無人機進行測量。將無人機測量的坐標值與GPS中的坐標進行對比，如果誤差在±3cm以內(nèi)，則說明無人機測繪的精度符合標準；第二，進行外業(yè)航拍。小型無人機搭載高清數(shù)碼相機，從多角度對山區(qū)公路及其周邊地形進行拍攝。將測繪數(shù)據(jù)反饋到地面控制中心，進行測繪影像處理。發(fā)現(xiàn)初始測繪影像有畸變和失真問題。技術(shù)人員對測繪數(shù)據(jù)進行平差處理，獲得準確度較高、清晰度較好的空間信息。第三，利用地形自動提取工具，獲取測區(qū)的DSM。同時運用GIS軟件生產(chǎn)測區(qū)三維模型，更加直觀的呈現(xiàn)出山區(qū)公路的地理情況，為下一步公路重建提供了參考。

4 結(jié)束語

利用無人機代替人工完成測繪工作，具有效率快、精度高、全天候的優(yōu)點。但是無人機測繪所得數(shù)據(jù)中，可能會包含一些失真的、畸變的或不完整的數(shù)據(jù)，需要利用專門的測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行優(yōu)化處理。這樣一來，才能為人們制定方案計劃和開展實際工作提供必要的參考，充分發(fā)揮無人機在環(huán)境監(jiān)測、國土測繪等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。

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