無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)分析

謝殿偉 王舒東

【摘要】無(wú)人機(jī)航空攝影廣泛應(yīng)用在地形繪制、工程建設(shè)、礦山勘察等項(xiàng)目中，具有較為精確的測(cè)量效果，本文就無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分析，探究測(cè)量技術(shù)應(yīng)用原理及特點(diǎn)，并闡述在測(cè)繪工作中的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);航空攝影;測(cè)量技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.074

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)航測(cè)，能夠在空間角度對(duì)地形變化及工程建設(shè)情況進(jìn)行相關(guān)信息的測(cè)量監(jiān)控，在數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的背景下，其應(yīng)用方向相對(duì)廣泛。

1、無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是指在無(wú)人機(jī)上安裝拍攝設(shè)備以及定位和遙控軟件，通過(guò)槽口無(wú)人機(jī)對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。無(wú)人機(jī)上搭載的技術(shù)種類相對(duì)較多，能夠更加靈活的對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行控制，使其保持高效運(yùn)行拍攝的狀態(tài)。無(wú)人機(jī)的機(jī)體相對(duì)較小，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)空間要求小，能夠使用的環(huán)境較廣。在使用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)時(shí)，不僅能夠?qū)ο鄬?duì)穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)情況和地形特點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)能夠?qū)?dòng)態(tài)緊急情況進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)來(lái)對(duì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行拍攝測(cè)量，幫助其實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救災(zāi)，使應(yīng)急工作的效率得到提升。

在無(wú)人機(jī)航測(cè)的過(guò)程中，為提高測(cè)量的精準(zhǔn)度，首先，應(yīng)對(duì)待測(cè)區(qū)域的位置進(jìn)行確定，明確拍攝的區(qū)域。其次，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行勘察，包括對(duì)無(wú)人機(jī)的起飛與降落控制和管理，以及對(duì)飛行的高度和飛行測(cè)量區(qū)域進(jìn)行控制。同時(shí)，要對(duì)具體的航測(cè)的線路進(jìn)行合理規(guī)劃，結(jié)合測(cè)量任務(wù)以及區(qū)域環(huán)境的干擾情況，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行次數(shù)、路線以及控制情況進(jìn)行計(jì)劃。再次，確定飛行任務(wù)，結(jié)合任務(wù)優(yōu)化計(jì)劃方案，隨后執(zhí)行飛行測(cè)量作業(yè)。最后，對(duì)航測(cè)的結(jié)果進(jìn)行識(shí)別和分析，完成該次無(wú)人機(jī)航測(cè)任務(wù)。

2、無(wú)人機(jī)航測(cè)拍攝原理

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在實(shí)施的過(guò)程中，為保障整體測(cè)量數(shù)據(jù)的有效且完整，在實(shí)際的控制過(guò)程中，需要利用中心投影的透視變換，通過(guò)幾何反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)圖。在實(shí)際的測(cè)圖過(guò)程中，可以通過(guò)垂直拍攝，如圖1;或者可以進(jìn)行傾斜拍攝，如圖2所示。

在拍攝的過(guò)程中，根據(jù)對(duì)平面的實(shí)際需求，選擇恰當(dāng)?shù)呐臄z方式。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合無(wú)人機(jī)的種類和運(yùn)行方式進(jìn)行合理調(diào)整，確保拍攝測(cè)量作業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3、無(wú)人機(jī)航測(cè)運(yùn)行特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)較為明顯，其在作業(yè)過(guò)程中呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

首先，反應(yīng)速度快。使用無(wú)人機(jī)測(cè)量時(shí)，由于機(jī)器較小，在對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)，整體較為靈活。無(wú)人機(jī)航拍時(shí)主要在低空區(qū)域進(jìn)行，因此受到環(huán)境氣候的影響相對(duì)較小，整體測(cè)量較為精準(zhǔn)。無(wú)人機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)需要的準(zhǔn)備時(shí)間相對(duì)較短，并且檢查項(xiàng)目少，減少準(zhǔn)備的壓力。一般情況下，僅需要15-20分鐘即可升空進(jìn)行拍攝作業(yè)。

其次，無(wú)人機(jī)航測(cè)的適應(yīng)范圍相對(duì)較廣。由于無(wú)人機(jī)體積較小，整體容易控制，并且飛行高度較低，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，整體的使用效果相對(duì)良好。如在進(jìn)行全國(guó)國(guó)土繪制的過(guò)程中，需要對(duì)我國(guó)的全部國(guó)土面積進(jìn)行測(cè)繪，不同區(qū)域的環(huán)境有一定的特點(diǎn)，其中不乏環(huán)境惡劣的區(qū)域，該環(huán)境下使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量，不僅提升測(cè)量的實(shí)際效果，同時(shí)能夠幫助了解無(wú)人機(jī)航測(cè)中可能存在的漏洞，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步完善。

最后，時(shí)效性較強(qiáng)。在測(cè)量時(shí)，由于在低空進(jìn)行檢測(cè)，攝影和信息傳輸速度相對(duì)較快，并且能夠結(jié)合實(shí)際的情況，制定測(cè)量的區(qū)域與路線，使測(cè)量的時(shí)效性得到有效提升。

4、無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1工程測(cè)量中的應(yīng)用

在對(duì)工程情況進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行選擇，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用程序調(diào)整設(shè)計(jì)，確保符合工程設(shè)計(jì)建設(shè)需求。工程建設(shè)中對(duì)數(shù)據(jù)精確度的要求較高，并且需要在測(cè)繪的過(guò)程中保持極度細(xì)心的狀態(tài)，從而使測(cè)量的結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確。在應(yīng)用過(guò)程中，首先，應(yīng)明確工程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)計(jì)算數(shù)量和比例尺結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行分析，給出恰當(dāng)?shù)暮叫信臄z路線，確保工程的整體情況均在拍攝的范圍內(nèi)。其次，科學(xué)設(shè)計(jì)控制網(wǎng)格。在待測(cè)量的區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)，充分利用控制點(diǎn)使待測(cè)區(qū)域更加規(guī)范化，通過(guò)控制點(diǎn)的設(shè)施，使整體測(cè)量的放線的速度得到保障，同時(shí)使待測(cè)區(qū)域的坐標(biāo)更加精準(zhǔn)，從而便于后續(xù)的具體物體和區(qū)域分析。最后，測(cè)量過(guò)程中，隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)的工作，直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂圃O(shè)備中，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理，分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，從而保障數(shù)據(jù)可用性。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)，使整體工程施工效果得到提升。

4.2地形測(cè)繪中的應(yīng)用

在對(duì)地形測(cè)繪的過(guò)程中，為合理使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，應(yīng)按照相應(yīng)應(yīng)用步驟進(jìn)行。

像控點(diǎn)是測(cè)圖和攝像加密的基礎(chǔ)，在布設(shè)時(shí)，需要按照地理情況和拍攝范圍等情況進(jìn)行合理的劃分與布設(shè)。在地理環(huán)境較為平整的情況下，一般使用基線劃分的方式進(jìn)行布設(shè)，對(duì)于地理環(huán)境不平整及存在凹凸位置的情況下，可以使用平高點(diǎn)補(bǔ)充的方式進(jìn)行布設(shè)，確保像控點(diǎn)的位置符合要求。做好像控點(diǎn)設(shè)置工作后，對(duì)其進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)，在測(cè)試的過(guò)程中，不同區(qū)域的信息與圖像進(jìn)行整合，加強(qiáng)測(cè)量的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。

在無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)中心，空中三角測(cè)量是其中較為準(zhǔn)確且有效的測(cè)量方法。該技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要使用識(shí)別率高且質(zhì)量良好的拍攝設(shè)備，提高對(duì)地形地貌信息的拍攝效果?？罩腥菧y(cè)量屬于立體測(cè)量的方法，在實(shí)施時(shí)可以通過(guò)不同測(cè)量方式完成，如模擬法、解析法、航帶法等。其中模擬法在使用時(shí)，通過(guò)利用光學(xué)機(jī)械設(shè)備，在攝影過(guò)程中，利用幾何反轉(zhuǎn)原理，使用測(cè)圖法對(duì)空中三角區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。但由于該方式只能在同一航線中使用，在測(cè)量時(shí)需要安排好相應(yīng)的航線。在測(cè)量過(guò)程中，建立相應(yīng)的立體模型，并將所有模型進(jìn)行整合，對(duì)重疊部分進(jìn)行識(shí)別和調(diào)整，形成相應(yīng)的空間投影中心。通過(guò)不同航線的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空中三角形區(qū)域的測(cè)量。

4.3大比例尺地形圖中的應(yīng)用

對(duì)大比例尺地形圖進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于需要生成出1：1000或1：2000等大比例尺的正射圖以及高程模型，因此，需要對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。先進(jìn)行像控點(diǎn)設(shè)置，該測(cè)繪中的像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)，主要通過(guò)在兩條及以上的平行航線中設(shè)置平高控制點(diǎn)，其對(duì)像控點(diǎn)要求較高，在實(shí)際的設(shè)置過(guò)程中，應(yīng)確保像控點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)處，使用RTK技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，提高測(cè)繪的精準(zhǔn)度，同時(shí)對(duì)誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制。

在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過(guò)程中，為保障整體數(shù)據(jù)的質(zhì)量和分析過(guò)程的精準(zhǔn)度，需要提高數(shù)據(jù)收集和分析效果。使用DEM和DLG對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和模型構(gòu)建，使用標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)對(duì)航測(cè)中的地表情況進(jìn)行表示，確保模型與實(shí)際地質(zhì)情況相符合。結(jié)合數(shù)據(jù)使用DOM技術(shù)進(jìn)行出圖，將圖片與地理信息進(jìn)行對(duì)照識(shí)別，查找和補(bǔ)充其中的遺漏項(xiàng)目，最終使用成圖軟件對(duì)比例尺進(jìn)行調(diào)整和修飾，形成相應(yīng)比例尺的地形圖。

4.4河道治理中的應(yīng)用

對(duì)河道治理和水利工程等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)繪的過(guò)程中，使用無(wú)人機(jī)航測(cè)較為便捷，能夠在空中對(duì)河道情況進(jìn)行勘測(cè)，了解河道治理區(qū)域的實(shí)際地形地貌變化以及植被和交通情況，進(jìn)而幫助相關(guān)治理設(shè)計(jì)人員，為其提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，以提高河道治理的效率和質(zhì)量。在河道治理測(cè)繪的過(guò)程中，先應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)睾拥老嚓P(guān)資料以及區(qū)域的水文信息進(jìn)行收集，并結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)的特點(diǎn)，計(jì)劃恰當(dāng)?shù)暮綔y(cè)方案。無(wú)人機(jī)航測(cè)方案的制定需要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候影響進(jìn)行調(diào)整，由于無(wú)人機(jī)較小，水域上空受到氣流影響較大，機(jī)器設(shè)備容易受到風(fēng)向和風(fēng)力大小的影響，在規(guī)劃航線時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)無(wú)人機(jī)的航行時(shí)間、速度以及高度和不同無(wú)人機(jī)之間的距離等進(jìn)行合理的測(cè)量和規(guī)劃，從而達(dá)到良好的測(cè)量效果。

在測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)確定測(cè)量的基準(zhǔn)面和行高，使用公式：

按照比例尺和焦距情況，對(duì)高點(diǎn)、低點(diǎn)高程的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，最終通過(guò)計(jì)算得到無(wú)人機(jī)的飛行高度。

為保證河道區(qū)域的航測(cè)覆蓋率，在制定測(cè)量和攝影范圍時(shí)，應(yīng)適當(dāng)向外擴(kuò)展。一般情況下，在測(cè)量區(qū)域外界進(jìn)行基線設(shè)置，攝影范圍覆蓋兩條基線的情況下，能夠保障覆蓋率符合要求。在航測(cè)后，需要按照標(biāo)準(zhǔn)情況對(duì)拍攝質(zhì)量進(jìn)行檢查。主要檢測(cè)像片的重疊度以及測(cè)量的傾斜角和旋轉(zhuǎn)角情況，結(jié)合需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提高測(cè)量圖片的質(zhì)量。

在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)使用DSM技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高程模型數(shù)據(jù)，由專業(yè)人員對(duì)數(shù)據(jù)影響進(jìn)行糾正，并利用軟件生成DOM。在手段和自動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置調(diào)控完畢后，對(duì)圖像進(jìn)行合理的拼接編輯，最終得到河道的正射影像。河道的正射影像應(yīng)符合實(shí)際情況，整體色彩和色調(diào)保持均勻的狀態(tài)，同時(shí)確保影響中河道及相關(guān)的地理地貌情況與真實(shí)情況相符合，從而便于后續(xù)的河道治理或水利工程修建。

結(jié)論：

綜上所述，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在不同環(huán)境下使用均具有較為良好的效果，在現(xiàn)代化航測(cè)中的使用概率逐漸增加，為使該技術(shù)的效果不斷提升，相關(guān)人員應(yīng)嘗試提高無(wú)人機(jī)智能化控制或數(shù)字化管控技術(shù)，提高測(cè)繪的質(zhì)量和效率。

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