王衛(wèi)勝
(甘肅遠(yuǎn)騰勘測(cè)設(shè)計(jì)工程有限公司,甘肅 蘭州 730050)
無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是將無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái),在平臺(tái)中配置高分辨率攝影儀器與激光雷達(dá)等裝置,基于影像信息采集系統(tǒng),遠(yuǎn)程控制機(jī)載設(shè)備開(kāi)展測(cè)繪影像采集與同步傳輸作業(yè),從而實(shí)時(shí)掌握測(cè)區(qū)情況。同時(shí),影像信息采集系統(tǒng)由地面監(jiān)控以及飛行控制系統(tǒng)加以組成。在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間,地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)所獲取影像信息進(jìn)行整合預(yù)處理、質(zhì)量檢測(cè)、構(gòu)建三維立體模型與生成核線影像。而飛行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)操控?zé)o人機(jī)按預(yù)定航線飛行,將航線重疊度與旁向重疊度分別控制在70%與50%。在特殊情況下,工作人員遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)躲避障礙物與修改航線[1]。
1.2.1 機(jī)動(dòng)靈活
與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有快速航測(cè)反應(yīng)能力,無(wú)人機(jī)往往處于低空飛行狀態(tài),飛行質(zhì)量、機(jī)身顛簸度與測(cè)量精度并不會(huì)受到氣候條件的明顯影響,且空域申請(qǐng)較為便利。同時(shí),在無(wú)人機(jī)飛行期間,當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)向變化時(shí),雖然會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行線路造成影響,但依靠飛行控制系統(tǒng),可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)人機(jī)航線進(jìn)行修正處理,以減小外部環(huán)境對(duì)測(cè)量精度造成的影響。
此外,無(wú)人機(jī)作為一種小型飛行器,對(duì)起降場(chǎng)地要求較低,僅需在一段較為平整的路面,即可安全完成無(wú)人機(jī)起降操作,并將升空準(zhǔn)備時(shí)間控制在15min以內(nèi)。而在測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜時(shí),無(wú)法通過(guò)自力發(fā)射方式起飛時(shí),工作人員還可選擇采取彈簧起飛與垂直起飛方式,向無(wú)人機(jī)提供充足的升力。
1.2.2 測(cè)量精度高
在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中搭載有數(shù)字彩色航攝相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備,在系統(tǒng)運(yùn)行期間,可以持續(xù)獲取超高分辨率的數(shù)字影像以及高精度定位數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)信息生成三維景觀模型及三維正射影像圖,最終測(cè)量的成像質(zhì)量與精度都明顯超過(guò)大飛機(jī)航拍測(cè)量成果。同時(shí),無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)還可以切實(shí)滿足不同類型工程測(cè)量任務(wù)的精度要求。例如,將無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)切換至低空遙感模式,在低空與超低空環(huán)境下完成測(cè)量作業(yè),持續(xù)采集低空精準(zhǔn)數(shù)據(jù),滿足應(yīng)急救災(zāi)等測(cè)量任務(wù)的作業(yè)需求。同時(shí),將系統(tǒng)切換至高空作業(yè)模式,持續(xù)獲取高空信息數(shù)據(jù),以滿足資源勘測(cè)等類型測(cè)量任務(wù)的作業(yè)需求。
1.2.3 檢測(cè)效率高
在應(yīng)用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)時(shí),往往面臨著數(shù)據(jù)時(shí)效性差的問(wèn)題,存檔數(shù)據(jù)與編程拍攝獲取的影像數(shù)據(jù)時(shí)效性較差,無(wú)法在限定時(shí)間完成測(cè)量任務(wù),且測(cè)量結(jié)果與測(cè)區(qū)實(shí)際情況不符。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,可以同步傳輸所獲取的影像信息,并開(kāi)展數(shù)據(jù)處理操作,從而向用戶實(shí)時(shí)提供所需成果。從檢測(cè)效率來(lái)看,無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)每天可完成數(shù)十至上百平方公里區(qū)域的測(cè)量作業(yè),實(shí)際測(cè)量效率遠(yuǎn)超過(guò)人工測(cè)繪。
為充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì),最大程度減小外部環(huán)境與人為等因素對(duì)工程測(cè)量精度造成的影響,在應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)時(shí),必須滿足以下技術(shù)要求:第一,系統(tǒng)全面檢查。對(duì)所配置數(shù)碼相機(jī)與數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備潛伏故障。同時(shí),根據(jù)工程測(cè)量作業(yè)需求,對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與使用功能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。第二,對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行初步勘察,判斷是否具備無(wú)人機(jī)起降條件,結(jié)合地質(zhì)地貌結(jié)構(gòu)與氣候條件來(lái)規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線。第三,在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間,工作人員必須嚴(yán)格遵循技術(shù)流程,禁止出現(xiàn)違章操作與私自篡改航測(cè)流程等問(wèn)題。
在無(wú)人機(jī)航測(cè)前,工作人員對(duì)機(jī)載設(shè)備與無(wú)人機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行全面檢查,重點(diǎn)檢查是否存在設(shè)備缺失損壞、攝影設(shè)備成像清晰度不達(dá)標(biāo)、數(shù)據(jù)采集器精度不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題,檢修或更換故障設(shè)備,減小設(shè)備因素對(duì)測(cè)量精度造成的影響。隨后,將無(wú)人機(jī)放至彈射架上,對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角度加以測(cè)量調(diào)整,依次測(cè)試無(wú)人機(jī)的機(jī)頭、機(jī)身與尾翼等部位是否可以按指令操作。在確定一切無(wú)誤后,將飛行控制系統(tǒng)與機(jī)載航拍相機(jī)進(jìn)行連接,將降落傘包處于待命狀態(tài),準(zhǔn)備開(kāi)展無(wú)人機(jī)起飛操作[2]。
圖1 無(wú)人機(jī)工程測(cè)量流程圖
在控點(diǎn)布設(shè)及航線規(guī)劃環(huán)節(jié),應(yīng)掌握以下技術(shù)要點(diǎn):第一,對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件與天氣條件進(jìn)行采集分析,根據(jù)測(cè)區(qū)情況,將測(cè)區(qū)劃分為若干區(qū)域,在各區(qū)域內(nèi)均設(shè)置采集點(diǎn),根據(jù)各區(qū)域地貌結(jié)構(gòu)確定采集點(diǎn)數(shù)量與間隔距離,以此來(lái)減小地形條件對(duì)測(cè)量精度造成的影響。第二,以測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)氣候條件為主要依據(jù),合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線,嚴(yán)格控制航線重疊度與旁向重疊度,并保持無(wú)人機(jī)航線與周邊障礙物間的安全間隔距離,避免無(wú)人機(jī)在飛行期間受風(fēng)力影響與周邊障礙物相碰撞。第三,在惡劣氣候條件下,需要對(duì)無(wú)人機(jī)航線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,在必要情況下禁止開(kāi)展無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)。
在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間,工作人員遠(yuǎn)程對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制,或是基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則,采取多元化無(wú)人機(jī)航攝手段持續(xù)獲取測(cè)區(qū)內(nèi)所拍攝的影像資料,常用無(wú)人機(jī)航攝手段包括豎直攝影像、多基線攝影、交向攝影以及傾斜攝影等。隨后,對(duì)多視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理,在數(shù)據(jù)匹配結(jié)果基礎(chǔ)上構(gòu)建空中三角測(cè)量網(wǎng)絡(luò),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行光束平差處理。與此同時(shí),在必要情況下,可選擇使用DOM與DEM等產(chǎn)品,依靠無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)展數(shù)據(jù)采集與測(cè)繪影像獲取作業(yè)[3]。
在無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié),主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備以及數(shù)據(jù)解算步驟。其中,在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備步驟,工作人員將無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)中所存儲(chǔ)測(cè)繪影像數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出,對(duì)航拍位置以及影響數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如調(diào)整旁向傾斜角與分類整理航測(cè)數(shù)據(jù)信息等。同時(shí),對(duì)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量與無(wú)人機(jī)整體情況加以檢查評(píng)估,如貼線率及姿態(tài)角度,如果評(píng)估結(jié)果不佳,表明所獲取測(cè)繪影像的完整度與成像質(zhì)量較差,在必要情況下進(jìn)行復(fù)飛。而在數(shù)據(jù)解算步驟,根據(jù)已知數(shù)據(jù)信息構(gòu)建位置坐標(biāo)體系,繪制位置坐標(biāo)圖,將坐標(biāo)值與測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置加以匹配處理。隨后,對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行處理規(guī)劃,基于控制點(diǎn)位置選擇坐標(biāo)體系,并完成DOM數(shù)據(jù)處理作業(yè)即可[4]。
在環(huán)境治理工程中,對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,可以有效減小復(fù)雜氣候條件對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量造成的影響,全面掌握測(cè)區(qū)生態(tài)環(huán)境情況,為后續(xù)環(huán)境治理工作的開(kāi)展提供信息支持。例如,在水環(huán)境治理工程中,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值包括:第一,可見(jiàn)光波段提取植物。采取變通VDVI算法,采取可見(jiàn)光波段提取法,在短時(shí)間內(nèi)即可從所獲取測(cè)繪影像中提取植被特征,以判斷水環(huán)境中藍(lán)藻等水生植物的生長(zhǎng)情況,判斷是否存在水生植物過(guò)度繁殖問(wèn)題。第二,應(yīng)急快速成圖。在特殊情況下,為快速掌握測(cè)區(qū)環(huán)境情況,需要運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù),迅速掌握測(cè)區(qū)相關(guān)情況,運(yùn)用無(wú)人機(jī)在高空快速獲取測(cè)區(qū)影像資料,并在服務(wù)器端直接完成數(shù)據(jù)處理與計(jì)算過(guò)程,從而生成鑲嵌正射影像、DSM影像與DTM影像等成果。
當(dāng)前在部分工程項(xiàng)目中,現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,分布著湍急河流、險(xiǎn)灘、峽谷等復(fù)雜地形,受到地理環(huán)境限制,傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)與人工測(cè)量技術(shù)不具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,測(cè)量精度較低,在測(cè)量期間容易出現(xiàn)突發(fā)問(wèn)題。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,可以有效解決以上問(wèn)題。首先,工作人員通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng),可以遠(yuǎn)程調(diào)整航攝相機(jī)角度來(lái)獲取測(cè)繪影像,全面掌握測(cè)區(qū)情況與地物信息。其次,面對(duì)河流險(xiǎn)灘等復(fù)雜地形,憑借無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活優(yōu)勢(shì),工作人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)身修正無(wú)人機(jī)航線,并操縱無(wú)人機(jī)開(kāi)展各項(xiàng)高難度飛行動(dòng)作,將無(wú)人機(jī)與各類障礙物保持安全間隔距離。最后,開(kāi)發(fā)低空無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng),組合應(yīng)用遙感技術(shù)與無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù),系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行期間所產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)誤差加以分析修正,以此提高測(cè)量精度及測(cè)繪影像質(zhì)量。
近年來(lái),隨著技術(shù)體系的日益完善,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在大范圍地形圖測(cè)繪方面中得到廣泛應(yīng)用,且地形測(cè)繪精度滿足絕大多數(shù)工程1∶2000的測(cè)量精度要求。例如,在無(wú)人機(jī)航測(cè)期間,在系統(tǒng)中下載并識(shí)別DOM數(shù)據(jù),在其基礎(chǔ)上創(chuàng)建道路、路堤與建筑房屋等地物標(biāo)高(圖2)。隨后,依據(jù)DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理,從所獲取測(cè)繪影像資料中提取地物矢量特征,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正細(xì)化處理,以此來(lái)構(gòu)建DOM圖形。最后,向CAD軟件中導(dǎo)入矢量化成果,將成圖要求為依據(jù),對(duì)測(cè)區(qū)地圖進(jìn)行整飾處理,如此,即可生成DMG格式成果,完成地形圖測(cè)繪任務(wù)。
圖2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在城市測(cè)繪中的應(yīng)用
與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比,在多尺度大范圍遙感影像獲取方面,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于,可組合運(yùn)用空中三角測(cè)量技術(shù),提前在航測(cè)系統(tǒng)中設(shè)定飛行參數(shù),結(jié)合測(cè)區(qū)情況規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線,無(wú)人機(jī)即可在航測(cè)期間持續(xù)獲取具備地理坐標(biāo)的正射影像信息,快速處理由數(shù)量不等影像所組成的測(cè)繪項(xiàng)目。同時(shí),對(duì)調(diào)節(jié)波段權(quán)重、均值因子與尺寸等參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整,以及對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的調(diào)整,具備了獲取“多尺度”影像數(shù)據(jù)與大范圍遙感影像的技術(shù)條件,這對(duì)工程測(cè)量精度與遙感影像質(zhì)量的提升有著重要意義。
在現(xiàn)代工程項(xiàng)目中,為全面提高工程測(cè)量精度及作業(yè)效率,突破傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用局限,企業(yè)必須提高對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的重視程度及應(yīng)用力度,深入了解技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),結(jié)合工程情況針對(duì)性制定無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)方案,保證航測(cè)過(guò)程科學(xué)合理。