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    地形圖測繪工作自動化中的無人機技術(shù)探析

    2023-01-07 03:09:18游紹彥王寶光李亞楠
    信息記錄材料 2022年11期
    關(guān)鍵詞:測繪精度測量

    郭 琦,游紹彥,王寶光,李亞楠

    (長治職業(yè)技術(shù)學院 山西 長治 046000)

    0 引言

    無人機攝影測繪、遙感等新技術(shù)已被廣泛地應用于地理信息、災害監(jiān)測和測繪等領(lǐng)域。在工程測繪中,利用航測技術(shù)可以克服傳統(tǒng)的地形、天氣、人為因素等問題。在復雜的礦山、鐵路、山區(qū)等環(huán)境條件下,可以減少地形圖測繪的誤差,提高精度和工作效率。由于航空攝影技術(shù)在地形圖上的應用日益普遍,因此,在工程施工中,測繪人員必須具備專門的測繪技術(shù),對數(shù)據(jù)進行分析和處理,確保所獲取的數(shù)據(jù)能夠真實地反映出該地區(qū)的整體狀況,減少環(huán)境因素對地形圖數(shù)據(jù)采集的影響,保證無人機技術(shù)的科學性和有效性。

    1 無人機測繪技術(shù)的影響因素分析

    1.1 航線規(guī)劃

    無人機的飛行高度可以保持很好地穩(wěn)定,但是在某些特定的區(qū)域,高度就會變得很低,這就導致了地面的分辨率會變得很低。如果測量范圍內(nèi)的海拔超過了一定的標準,那么畫面就會變得很模糊,這就導致了飛行路線的設(shè)計必須要考慮到地形,才能精確地計算出無人機的飛行高度。

    (1)對于工程測繪任務(wù)所在地區(qū)的邊界進行明確,尤其是一些地形復雜度較高的地區(qū),如林木密集地區(qū)、丘陵地區(qū)等,也需要注意邊界校核工作,這也是順利完成航線規(guī)劃的基礎(chǔ)保障。

    (2)開展工程測繪工作時,還需要擴大數(shù)據(jù)采集范圍,這樣能夠有效避免影像變量過大的問題,提升數(shù)據(jù)整理結(jié)果的有效性。例如,找出工程測繪區(qū)域內(nèi)的中心位置,以中心點和邊界之間的距離作為航測半徑,在此基礎(chǔ)上擴大10%~30%,提升測繪結(jié)果的精準度。

    (3)根據(jù)工程測繪地區(qū)的復雜性,確定該區(qū)域航測時需要重點關(guān)注的內(nèi)容,加大航測過程的記錄工作,為航測體系的持續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

    1.2 像控點設(shè)計

    通常情況下,會借助RTK 技術(shù)、航攝像控點的分布設(shè)GPS 網(wǎng),而航攝像控點的基準點,需要多次進行校核,以確保定位結(jié)果的準確性。而且所在位置,也需要滿足易于測繪、易于引測、不易破壞等要求,從而提升布置內(nèi)容的合理性[1]。

    1.3 航測參數(shù)設(shè)計

    (1)在同向上進行飛行的無人機,同向重合率需要超過60%,而旁向上進行飛行的無人機,旁向重合率需要超過30%。

    (2)在航測過程中,要做好航測高度和速度控制,例如在傾斜方向進行測繪時,無人機的飛行高度必須在180 m 以上,無人機的速度必須保持在6~8 m/s 之間,同向重合率必須在80%以上,旁向重合率必須在50%以上。

    1.4 測繪結(jié)果生成

    完成上述工作內(nèi)容后,就開始整理測繪成果,工程測繪成果大多采用專題圖,如交通圖、總平面圖、功能分區(qū)圖等,同時還采用地形圖、數(shù)據(jù)整理表格、監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖等,提高數(shù)據(jù)整理的直觀性。以地形圖整理過程為例,在對比處理過程中,通過與初始圖形內(nèi)容進行比對,生成相應的新圖形,從而提高地形內(nèi)容變化結(jié)果的直觀性,滿足相應的使用需求。

    1.5 無人機平臺影響分析

    目前無人機探測技術(shù)有其優(yōu)越性,但仍有許多問題有待解決。首先,由于大多數(shù)無人機體積較小,負載較輕,容易被風吹亂,因此在空中做各種姿態(tài)轉(zhuǎn)換,交疊角度起伏較大。其次,雖然畫面不是很大,但數(shù)量卻非常龐大。無人偵察機一般采用非常規(guī)單反相機,因為成像范圍較窄,為了清晰地觀察到所有數(shù)據(jù),研究人員可以通過調(diào)整航向和側(cè)翼來保證,這樣在探測范圍內(nèi)會出現(xiàn)更多的圖像,從而極大地阻礙了操作。這些情況都會影響測量精度,未來的無人機將會采用最新的科技手段進行改進,從而提高測試的效率和質(zhì)量,同時還可以通過專業(yè)的程序保證數(shù)據(jù)的準確性,避免無人駕駛系統(tǒng)對測量結(jié)果的準確性造成負面影響。

    1.6 無人機飛行時間的影響

    無人機飛行時間的選擇要綜合考慮環(huán)境條件、天氣變化和太陽高度等因素,盡可能地選擇最佳的飛行季節(jié),盡可能地減少地面覆蓋結(jié)構(gòu)對拍攝效果的負面影響,同時還要保證充足的光照。如果這片區(qū)域內(nèi)的高層建筑比較密集,或者是高度比較高的話,那么在下午兩點的時候就可以起飛了。

    1.7 攝像設(shè)備的影響

    相機本身的像素狀況與影像品質(zhì)有很大的關(guān)系,像素愈大,影像愈清晰,反之,像素愈低,影像愈模糊。因此,在進行無人機飛行的過程中,必須要考慮到攝像機像素,才能保證拍攝的質(zhì)量和效果。攝像機的聚焦曝光時間和圖像的清晰度有著很大的關(guān)系,在正式的航測之前,要根據(jù)具體的情況調(diào)整攝像機的對焦和曝光時間,在惡劣的環(huán)境下,應該盡量地延長曝光時間,提高圖像清晰度。攝像裝置本身的畸變也會影響到影像的清晰度,因此在測量前,一定要對影像進行精確的校正。

    2 無人機航空攝影測繪技術(shù)關(guān)鍵工藝

    2.1 DOM 工藝

    DOM 處理的主要用途是在無人機航測完成后,采集各階段的數(shù)字影像數(shù)據(jù),將其與標準數(shù)據(jù)對比分析,以校正失真,提高測繪準確度。DOM 技術(shù)也是通過在低空拍攝時,通過內(nèi)部定向、相對定向、絕對定向三種方式進行定向,然后進行正射、拼接,獲得DOM 的最終效果。該工藝的具體流程如圖1所示。

    圖1 DOM 技術(shù)工藝示意圖

    2.2 空中三角測繪技術(shù)

    空三加密經(jīng)過像點連接、像控點量測、平差運算等過程,實現(xiàn)了空間三碼的自動產(chǎn)生。在確認外部控制室的檔案及攝像機檔案正確后,就可進行外部控制點的測繪。外部控制點的測繪是有專門的人和其他專家進行的。通常在進行空中三角測繪技術(shù)時添加了外部高程散點法。

    2.3 數(shù)字劃線圖技術(shù)

    數(shù)字劃線圖技術(shù)是在全數(shù)碼照相測繪的基礎(chǔ)上,對各測繪點進行一系列的測繪和計算,并將其與特定的功能相結(jié)合,從而達到測繪的目的。首先要確保測繪精度,并建立相應的數(shù)學模型,以確保數(shù)字化線路的繪制質(zhì)量。

    3 無人機測繪技術(shù)的應用實例

    3.1 無人機測繪技術(shù)應用實例

    針對地形、地物、居住區(qū)等復雜通視條件較差的地區(qū),無人機全站儀對地形圖進行測繪。研究內(nèi)容包括前期準備、外業(yè)航測、像控點測繪、內(nèi)業(yè)成圖、外業(yè)調(diào)繪五個步驟。

    在前期籌備階段,**鎮(zhèn)屬于黃土丘陵地形、黃土溝、梁、住宅區(qū),工廠的平均海拔1150 m,最高1 190 m,最低1 107 m。為滿足精度需求,此次試飛計劃選用F200 型全畫幅SonyRX1RII 微型相機,其平面分辨率為7 cm,高度重疊80%,側(cè)面重疊60%。

    3.2 無人機航攝像控點的布設(shè)作業(yè)

    在無人機航測時,航攝像控點測量需要滿足兩方面要求:一是數(shù)量和精度,二是目標影像應當定位清晰。無人機測繪攝影技術(shù)具有飛行高度較低、較慢的特點,容易受到大氣升力和風力的影響,產(chǎn)生不均勻的重疊,因此,航攝像控點的設(shè)置和測繪提出如下要求:

    在空三加密中,航攝像控點分布為平面點、高程點、高程檢查點三大類。這一工作重點是平面點,一些是檢查點,其布置要遵守原則:航攝像控點布設(shè)要在整個測區(qū)均勻分布,并布置在容易發(fā)現(xiàn)和辨認的地方,盡可能布置在地面上,比如在公路交匯處,在色彩劃分清晰的地方,方便準確定位;如谷歌圖像之類的現(xiàn)有圖像來確定有沒有較差的區(qū)域,比如森林或玉米田,這些區(qū)域應該在無人機起飛前噴灑石灰或其他可辨認的標記[2]。

    F200 利用GPS 的PPK 后差動技術(shù),能有效地降低航攝像控點的布設(shè)誤差,本次任務(wù)共布設(shè)了12 個測繪點,8個是基礎(chǔ)航攝像控點,4 個是檢查點。航攝像控點坐標的精確與否直接關(guān)系到整個測區(qū)的絕對定向精度,因此,在航攝像控點的測繪中,一定要使圓氣泡居中,并多次進行平差的測繪。此次以RTK 測繪3 次后的平均值為比較精確的坐標。

    所選擇的影像控制點,應使影像清晰、易于辨認,尤其是影像邊緣的影像,必須清晰、準確,不能有任何異議,要有清晰的記號,例如:建筑朝向應注明是在東南方向,或在西北方向。

    3.3 飛行實施

    要全面、良好地開展航空三角測繪,必須確定測繪流程。遙感影像的高精度合成、平差等多種方法被用于航空三角測繪。在起飛前,要架設(shè)一個基站?;究梢约茉O(shè)在已知的位置上,如果沒有,就用RTK 來測繪。表1顯示了F200 的飛行攝影參數(shù):

    表1 F200 航攝參數(shù)統(tǒng)計表

    在飛行過程中,所有的飛行參數(shù)都是正常的,飛行時的速度基本保持在60 km/h,保持平穩(wěn)的飛行姿勢,滾轉(zhuǎn)和俯仰角偏離不超過5°?!兜涂諗?shù)字航空攝影規(guī)范》規(guī)定,在CH/Z 3005-2010 中,相片傾斜度一般不超過5°,最大不超過12°,超過8°的片數(shù)不多于10%;在保證相片旋角不超過15°的情況下,單個旋轉(zhuǎn)角度不能超過30°,而在同一航線上,旋轉(zhuǎn)角度大于20°的圖像不能多于3個,旋轉(zhuǎn)角度超過15°的圖像數(shù)量不能超過10%[3]。

    3.4 空三處理

    空三加密是指以地面上的少量控制點為基礎(chǔ),利用空間三碼對重疊圖像進行測繪。根據(jù)無人機測繪的基本原理,采用解析法對相片外部的方向元和加密點進行了求解。該測試采用了無人機管家2.0,并輸出精度報告,點云、DEM、DOM,空三影像結(jié)果及無失真圖像。利用VirtuoZo系統(tǒng)實現(xiàn)了空中三角測量,實現(xiàn)了對加密點的選擇、節(jié)點加密和模型的聯(lián)結(jié)。通過PATB,可以實現(xiàn)誤差的粗差和誤差計算,提高了測量精度。由于此次無人機是低姿態(tài)拍攝,所以全部加密點的選擇均由手工進行,因而在某種意義上加大了內(nèi)部作業(yè)的難度。在整個測繪工作中,三邊形技術(shù)的應用是關(guān)鍵,它決定了最后的測量結(jié)果和地圖的精度。同時,根據(jù)航攝像控點的平面定位誤差,應及時調(diào)整定位,使其達到最大程度上的精度和合理性。

    3.5 立體測圖

    在進行了三次空中三角測繪工作后,將測量數(shù)據(jù)導入VirtuoZo 站點,形成三維模型和線段影像,進行圖像匹配、編輯和繪制線路圖?;贒LG 的三維DLG 資料,產(chǎn)生DEM資料,完成DOM。最后,根據(jù)1:2 000 地圖的實際測量結(jié)果進行綜合調(diào)整,保證了整個測量精度的最大化,提高了有關(guān)資料的準確率和及時性。利用空間前景軟件建立三維圖像,實現(xiàn)三維采編。本系統(tǒng)無須預先采集地形圖區(qū)域核線,可根據(jù)圖像重疊程度及外部方向要素不同,自動組合立體像對,生成最佳交叉角,提高地形圖高程精度;同時支持立體模型自動/人工轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)無縫銜接,減少邊工和立體模型的選擇,提高了工作效率。完成外業(yè)調(diào)繪工作后,利用無人機采集到的地形圖進行整理[4]。根據(jù)圖式中的符號、字體、字體大小,結(jié)合外業(yè)調(diào)研結(jié)果進行分級、分色,形成最終結(jié)果。

    3.6 精度檢測

    無人機管家智能拼圖的空三成果,通過DOM 成果的精度檢驗,檢驗其是否符合1:1 000 地形圖測繪要求。

    (1)控制點空三精度

    在整個航測過程中,空三的精度直接影響到最終成圖的精度??杖荣|(zhì)量檢查一般通過空三解算報告和立體采集檢查點來完成[5]。

    (2)DOM 精度檢驗

    將控制點、檢查點與DOM 套在一起,對DOM 精度進行檢驗,以確定1:1 000 DOM 影像精度是否滿足要求。

    (3)采用GPS 實時動態(tài)測繪,采用800 多個隨機測繪點作為地形圖繪制過程中的檢查點,經(jīng)檢驗,大部分平面位置誤差小于5 cm,高程誤差不超過0.15 m,精度滿足規(guī)范要求。

    4 無人機低空地形圖測繪發(fā)展方向

    第一,對地形圖控制是有序的。隨著地圖的不斷完善,低空無人機拍攝技術(shù)的推廣也日益普及,該技術(shù)的有序發(fā)展,使圖像的精度提高。在已有的測圖技術(shù)指導下,有序的測量控制技術(shù)應完成轉(zhuǎn)換,在導航系統(tǒng)的約束條件下,將其用于精細劃分,并在主觀條件與客觀條件許可的前提下,攝影時間進行設(shè)定,做好控制點的精確位置[6]。

    第二,采用智能化的變形監(jiān)控技術(shù)。在信息技術(shù)快速發(fā)展的支撐下,利用無人機進行低地飛行測量,可以將各種不同的測繪技術(shù)和應用技術(shù)融合在一起,從而達到對地面形體的智能化監(jiān)控。當變形監(jiān)控記錄偏差超過一定的限度時,數(shù)據(jù)處理中心將會進行相應的回應,協(xié)助技術(shù)人員結(jié)合實際狀況,制定有效的解決辦法[7]。

    第三,地圖數(shù)據(jù)的抽取。無人機低空成像測量具有廣闊的應用前景,利用計算機圖像測量與遙感技術(shù)與其他傳感器緊密聯(lián)系,利用高分辨率移動攝影掃描儀、高分辨率遙感影像進行目標云測量、城市建筑測繪POS 等,可將這些數(shù)據(jù)存儲在單一坐標系統(tǒng)中。利用相關(guān)攝影與遙感技術(shù),對點云特征點的構(gòu)造進行逐行判定,確定三維點的特征點,進行色彩繪制與數(shù)據(jù)采集[8]。

    5 結(jié)語

    綜上所述,無人機航攝測量技術(shù)在地面測繪行業(yè)的發(fā)展中有著舉足輕重的地位,提高了資料的準確度和及時性。在實際運用中,應繼續(xù)加大無人機航拍技術(shù)在地形圖測繪的研發(fā)力度,針對目前地圖繪制中出現(xiàn)的問題,能夠使這些問題進行針對性的處理,從而提高測量資料的精確度和技術(shù)運用的有效性。

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