無人機(jī)測量技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用研究

國家春

摘要：無人機(jī)測量技術(shù)是一種非常先進(jìn)的現(xiàn)代測繪技術(shù)，其具有靈活、快捷的作業(yè)方式與較強(qiáng)的協(xié)同能力，可快速、高效地獲得數(shù)據(jù)信息，有效滿足地形測量的各項(xiàng)需求。本文對無人機(jī)測量技術(shù)的理論基礎(chǔ)和構(gòu)成進(jìn)行了闡述，分析了無人機(jī)測量技術(shù)在地形測量中的優(yōu)勢，并對其在地形測量領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用展開了深層次的研究，以供相關(guān)人士借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；測量技術(shù)；地形；工程

隨著時(shí)代的發(fā)展，我國的工程建設(shè)規(guī)模與數(shù)量都在不斷提升，在工程建設(shè)中，地形測量是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。在傳統(tǒng)地形測量中，對于較小的范圍，往往通過人工測量完成，而對于較大的范圍，往往利用大型飛機(jī)的航拍技術(shù)測量。這種方式不僅作業(yè)過程比較繁瑣，且測量結(jié)果的精確度也難以得到有效保證。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)而高效的無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并被廣泛應(yīng)用于地形測量中，該技術(shù)可提升測量效率，增加測量結(jié)果的精確性。

一、無人機(jī)測量技術(shù)概述

（一）無人機(jī)測量技術(shù)原理

無人機(jī)測量技術(shù)的原理為航空攝影測設(shè)。需要用無人機(jī)搭載專業(yè)的數(shù)字航測設(shè)備，在低空飛行的狀態(tài)下，利用設(shè)備攝影獲取相應(yīng)區(qū)域的高清圖像信息，進(jìn)而使用綜合法、全能法、分工法等專業(yè)的測圖方式，對單張測圖像片實(shí)施中心投影的透視變換，對立體測圖實(shí)施投影過程的幾何反轉(zhuǎn)，然后使用專門的數(shù)據(jù)分析處理軟件，對圖像信息展開更加精細(xì)化的處理，最后建立三維點(diǎn)云和模型，高效獲得地理信息，從而實(shí)現(xiàn)測量目標(biāo)。

（二）無人機(jī)測量系統(tǒng)的組成

1.飛行平臺(tái)和控制系統(tǒng)

飛行平臺(tái)與控制系統(tǒng)是無人機(jī)測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，包括動(dòng)力裝置、飛行控制設(shè)備、供電、機(jī)載航攝設(shè)備等部分。飛行控制系統(tǒng)的主要作用，在于保證無人機(jī)的作業(yè)安全性。在無人機(jī)實(shí)地測量工作的過程中，工作人員可實(shí)時(shí)對其監(jiān)視和操作，當(dāng)無人機(jī)處于危險(xiǎn)狀況時(shí)，可通過遠(yuǎn)程控制，使其安全降落，這為測量作業(yè)的順利開展奠定了基礎(chǔ)。

2.機(jī)載傳感器

機(jī)載傳感器也是無人機(jī)測量系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。對于傳感器的選擇，我們必須依據(jù)成圖的精度和比例尺的大小，再結(jié)合相關(guān)規(guī)定綜合考慮?？扉T的最大速度應(yīng)在1/1000s以上，且鏡頭的像素應(yīng)在2000W以上，同時(shí)保證機(jī)身、鏡頭和成像探測器分別實(shí)現(xiàn)有效連接。當(dāng)機(jī)載傳感器發(fā)生主距誤差、主點(diǎn)坐標(biāo)誤差、殘余畸變差等現(xiàn)象時(shí)，工作人員必須進(jìn)行有效校驗(yàn)，以確保具有足夠的精確度。

3.地面保障系統(tǒng)與回收裝置

地面保障系統(tǒng)是無人機(jī)的指揮與控制中心。在無人機(jī)實(shí)施地形測量的過程中，產(chǎn)生的上行數(shù)據(jù)和其對地面?zhèn)鬏數(shù)膱D像和遙測數(shù)據(jù)，都可以通過地面控制系統(tǒng)顯示和處理。地面保障系統(tǒng)通過視頻接收天線，對無人機(jī)實(shí)施自動(dòng)跟蹤，并實(shí)時(shí)讀取并記錄各種數(shù)據(jù)信息。除此之外，在控制軟件與反饋數(shù)據(jù)的支持下，工作人員也能按照要求對無人機(jī)的行進(jìn)方向進(jìn)行更改，并在緊急狀況下，完成一鍵降落和返回的操作，確保地形測量工作的順利、高效開展。

4.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一般由圖像處理系統(tǒng)、數(shù)字立體測量系統(tǒng)和空間三角測量系統(tǒng)組成，其主要作用是收集信息，然后依照測量任務(wù)與要求，記載航攝設(shè)備獲得的高清影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解算與處理，最終生成三維點(diǎn)云和模型數(shù)據(jù)，確定準(zhǔn)確的地理信息，將其作為地形圖測繪的重要參照和基礎(chǔ)。

二、將無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用于地形測量中的優(yōu)勢

（一）快速、高效地獲取數(shù)據(jù)信息

在以往的地形測量中，通常會(huì)花費(fèi)大量的人力與時(shí)間。其中，會(huì)涉及較長時(shí)間的外業(yè)測量，且容易受地形與氣候的影響，同時(shí)，在內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)檢核與校對流程中，工作量往往較大，這樣就無法快速、有效、全面地了解各種地理信息。此外，傳統(tǒng)的測量方式還常常會(huì)因?yàn)楦鞣N因素的干擾而出現(xiàn)漏測的情況，這就要求必須對數(shù)據(jù)加以補(bǔ)測，整個(gè)測量工作的效率較低。而將無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用到地形測量中，則能大大節(jié)省人力與時(shí)間，數(shù)據(jù)的獲取快速、高效，且整個(gè)作業(yè)過程受外界的影響較小，對圖像信息與數(shù)字信息的轉(zhuǎn)化效率很高，工作人員可以對測量區(qū)域的各種地理信息進(jìn)行全面了解。因此，這兩種方法相比較，無人機(jī)測量技術(shù)明顯具有較大優(yōu)勢，可顯著提升測量效率，值得在地形測量中大力推廣應(yīng)用。

（二）測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度高

在使用傳統(tǒng)測量技術(shù)進(jìn)行地形測量的過程中，受外部因素的影響較大，容易產(chǎn)生較大的測量誤差。具體來說，導(dǎo)致測量誤差的原因很多，包括儀器自身精度問題、儀器出現(xiàn)故障、人為操作不規(guī)范、天氣等外部環(huán)境的影響等。如果測量數(shù)據(jù)誤差較大，則會(huì)降低數(shù)據(jù)分析的參考價(jià)值，也不利于工程的后期建設(shè)。若將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于地形測量，則能大大減少測量誤差，提升測量的精確度，甚至可以實(shí)現(xiàn)厘米級的精確度，有效滿足大比例尺地形圖對地形測量的實(shí)際需求。在一些測量要求較高的區(qū)域，無人機(jī)可以超低空飛行，在很大程度上避免天氣因素帶來的干擾，即便在云量較厚的情況下，也可以順利開展測量，并獲得具有較高清晰度與色彩飽滿度的圖像。對于無人機(jī)獲得的大量地理信息，工作人員利用平差計(jì)算的方法，對其進(jìn)行有效矯正，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

（三）靈活快捷的作業(yè)方式

我國地域遼闊且地形復(fù)雜。在進(jìn)行地形測量的過程中，往往會(huì)受各種地形條件、氣候環(huán)境等因素的影響，無法有效開展測量工作。而將無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用于地形測量，則能有效排除各種外界因素的干擾。無人機(jī)的體量非常小且極為輕巧，對起降環(huán)境的限制與要求很少，工作人員可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作與控制，從而靈活而快捷開展地形測量作業(yè)，有效確保工作人員的安全。

（四）較高的協(xié)同力

利用無人機(jī)測量技術(shù)進(jìn)行地形測量時(shí)，不但能發(fā)揮出航空攝影的功能，還能將之與GPS定位技術(shù)、遙感技術(shù)、純銅測量技術(shù)等其他相關(guān)技術(shù)連接與融合，通過與不同技術(shù)的協(xié)同、配合，在很大程度上提升地形測量工作的效率與質(zhì)量。由此可見，無人機(jī)測量技術(shù)具有很高的協(xié)同能力與兼容性能，這對于提升地形測量的作業(yè)效率、獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息具有重要意義。

三、無人機(jī)測量在地形測量中的應(yīng)用策略

（一）像片控制測量

在將無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用于地形測量時(shí)，首先要在現(xiàn)場布設(shè)像片控制點(diǎn)。要求工作人員綜合考慮待測區(qū)域現(xiàn)場的實(shí)際狀況、拍攝的跨度、對測圖準(zhǔn)確性的實(shí)際要求等因素，同時(shí)還要在待測區(qū)域確定基線，并進(jìn)行踏勘選點(diǎn)。通常，對于小范圍、高成圖精度的測量區(qū)域，工作人員常使用外業(yè)測量的方式，開展全野外布點(diǎn)工作。完成像片控制點(diǎn)的布設(shè)后，還需要將GPS靜態(tài)測量與GPS-RTK動(dòng)態(tài)測量結(jié)合運(yùn)用，最終完成像片控制點(diǎn)的測量工作。在實(shí)際作業(yè)過程中，必須在像片控制點(diǎn)的上方假設(shè)人工布標(biāo)，以確保像片控制點(diǎn)測量的精確性。此外，工作人員應(yīng)及時(shí)檢查并校驗(yàn)無人機(jī)上搭載的攝像設(shè)備，以保證攝像設(shè)備保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，順利完成航空拍攝任務(wù)。

（二）航空拍攝作業(yè)

在使用無人機(jī)開展航空拍攝工作前，應(yīng)做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，為拍攝創(chuàng)造良好的條件，提升拍攝效果。首先，工作人員必須充分認(rèn)識(shí)與把握待測區(qū)域的地貌地物要素，綜合考慮地理位置、地形條件、地面的建筑物等情況。此外，還要詳細(xì)了解光照、風(fēng)向、風(fēng)力等因素。為了提升拍攝效果，應(yīng)盡可能選取有利的天氣，以天晴和無雨為佳，并根據(jù)待測區(qū)域的實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的攝影器材。例如，在地勢相對平緩的地方，可以選用AF100悉尼港的固定翼無人機(jī)；在地勢比較復(fù)雜的丘陵、山區(qū)等地方，則可以選用哈V8四旋翼無人機(jī)。此外，關(guān)于航拍的架次、拍攝范圍的寬度、拍攝畫面的像幅等，也要科學(xué)判斷、精心設(shè)置。對于航空拍攝的具體時(shí)間，應(yīng)科學(xué)、合理地選擇，保證拍攝時(shí)有足夠的光照，且陰影部分不應(yīng)太大。

（三）空中三角測量

在利用無人機(jī)測量技術(shù)進(jìn)行地形測量時(shí)，無人機(jī)在航拍過程中獲取的圖像資料信息，存在一定的誤差。因而，要對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的糾正和調(diào)校，最終獲得可靠的測量成果。一般采用空中三角加密計(jì)算法，利用半自動(dòng)的方式，在像片上對測圖定向點(diǎn)進(jìn)行確定與量測，從而對其數(shù)據(jù)整體平差，以此方法消除由于大氣折光、地球曲率等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。在無人機(jī)的成圖過程中，空中三角加密是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。具體而言，要利用影像進(jìn)行匹配，然后再把控制點(diǎn)提取出來，將測得范圍內(nèi)的所有影像歸納到同一個(gè)物方坐標(biāo)系中，獲得每張像片的外方位元素與加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)。

（四）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集及測圖

對像片的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過校正、調(diào)校等處理后，下一步，便是對地理信息數(shù)據(jù)的采集。對于內(nèi)業(yè)的信息收集與數(shù)據(jù)處理，一般都通過全數(shù)字的攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行，最終獲得較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。對于其中較為重要的地理信息數(shù)據(jù)，工作人員應(yīng)盡量以手工的方法收集；而對于比較一般的地理信息數(shù)據(jù)，則可采用電腦完成自動(dòng)化的采集。對于已經(jīng)收集到的各種數(shù)據(jù)，要將其導(dǎo)入三角測量的加密平差測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行建模，最終完成數(shù)字高程模型與數(shù)字正射。

此外，影像圖與數(shù)字線畫圖的制作也很重要。其中，數(shù)字線畫圖的制作，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后按照地面要素?cái)?shù)字化的實(shí)際要求，體現(xiàn)和保存數(shù)據(jù)。在完成數(shù)字線畫圖的制作后，還必須進(jìn)行地理信息矢量數(shù)據(jù)的編制。工作人員會(huì)利用容易辨識(shí)的圖形信息，對數(shù)據(jù)加以表現(xiàn)，如點(diǎn)、線、面、特殊符號(hào)等。此外，我們還需要借助專業(yè)的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，對航空遙感圖像上出現(xiàn)的畸變現(xiàn)象進(jìn)行處理，從而獲得信息數(shù)據(jù)的最初位置與狀態(tài)，然后再通過相鄰影像的慣性，形成立體像對。最后，再利用三維眼鏡等硬件裝置，形成三維跟蹤體，收集三維的信息數(shù)據(jù)，并將信息數(shù)據(jù)輸入CASS中進(jìn)行必要的編輯，最終獲得相應(yīng)的矢量地理信息，也就是數(shù)字畫圖。

（五）外業(yè)調(diào)繪和精度檢查

對無人機(jī)測得的數(shù)據(jù)信息，工作人員可通過外業(yè)調(diào)繪的方式進(jìn)行復(fù)核。一般情況下，會(huì)采用紙質(zhì)地形圖的方式，對測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行表達(dá)，對于其中呈現(xiàn)得不清晰和不全面的地物地貌數(shù)據(jù)信息，要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)測與修正。一方面，對現(xiàn)有的地物地貌資料信息，應(yīng)加以檢測和更正，另一方面，對遺漏的地物地貌資料信息加以補(bǔ)充。此外，工作人員還可通過采用GPS-RTK等測量手段，開展野外實(shí)測，以便于對測圖的準(zhǔn)確性進(jìn)行有效測試，得到平面與高程的偏差信息，再通過檢測規(guī)范對測量的準(zhǔn)確性作出評價(jià)。通過這樣的方式得到比較完整的地物地貌信息，清晰表達(dá)測量結(jié)果，同時(shí)得到擁有較精確測量數(shù)據(jù)的地形圖成果。

四、無人機(jī)測量在地形測量應(yīng)用中存在的問題

任何一種測量技術(shù)在存有一定優(yōu)勢的同時(shí)，必然會(huì)存在一定的短板與缺陷。在利用無人機(jī)測量技術(shù)對地形測量的過程中，普遍存在像片像素差、數(shù)據(jù)精度不高、電池容量小、續(xù)航時(shí)間短等問題。

像片像素差，數(shù)據(jù)精度不高。在測量小測區(qū)地形時(shí)，使用的無人機(jī)往往體積較小，載量也較低，通過攜帶微單相機(jī)完成航拍工作，導(dǎo)致拍攝的像片像素?zé)o法滿足成圖需求，存在一定的畸變差，使得數(shù)據(jù)的精度無法達(dá)到地形測量的高精度要求。

電池容量小，續(xù)航時(shí)間短。小型無人機(jī)配備的電池容量往往較小，因而續(xù)航時(shí)間比較有限，無法有效滿足長時(shí)間的穩(wěn)定測量任務(wù)要求。除此之外，在航拍過程中，還存有很大的不確定性，比如，如果在飛行過程中遇到強(qiáng)氣流天氣，會(huì)導(dǎo)致飛行器損壞。

五、影響無人機(jī)航攝效率的因素

影響無人機(jī)航空攝影效率的主要因素有四個(gè)方面，分別是攝影區(qū)域面積、無人機(jī)續(xù)航時(shí)間、數(shù)碼相機(jī)的續(xù)航時(shí)間及相機(jī)的像幅大小。

無人機(jī)航攝公式為：

N=Int（PArea/FArea）+1 式（1）

公式（1）中的N代表攝影飛行架的次數(shù)；PArea代表攝影區(qū)域的面積；FArea指單架次航空攝影面積；Int則表示數(shù)字四舍五入后最接近的整數(shù)。

由公式（1）可知，航空攝影架次與攝影區(qū)域的面積成正比，與單架次航空攝影面積為反比。因此，要想在完成航攝區(qū)域任務(wù)的同時(shí)提高航攝效率，首先要提高單架次的航空攝影面積。將單架次的航空攝影分?jǐn)偟矫恳粡堄行У南衿?，使像片的有效面積等于單架次像片減去單次重疊后的面積。

以下兩種措施可以有效提高無人機(jī)航空攝影效率：第一，選擇具有較高行高和短焦距的數(shù)碼相機(jī)，并選擇容量大的電池。第二，加大無人機(jī)的載油量，減少航攝像片的重疊度及單位時(shí)間的耗油量。在實(shí)際的航空攝影作業(yè)中，由于相機(jī)的焦距是固定的，必須要保證航攝影響的重疊度。因此，增加油箱容量和減少單位時(shí)間的耗油量是有效的方法。

六、結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)測量技術(shù)是一種非常優(yōu)秀的現(xiàn)代測繪技術(shù)，將其應(yīng)用于地形測量中，具有非常明顯的優(yōu)勢。本文對無人機(jī)測量的技術(shù)原理和系統(tǒng)組成進(jìn)行了闡述，分析了無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用于地形測量中的優(yōu)勢，如信息收集快捷有效、測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高、靈活快捷的作業(yè)方式、高協(xié)同應(yīng)用力等。同時(shí)，從像片控制測量、航空拍攝作業(yè)、空中三角測量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集及測圖、外業(yè)調(diào)繪和精度檢查等方面，就無人機(jī)測量技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用策略進(jìn)行了探討，并分析了無人機(jī)測量在地形應(yīng)用測量中存在的問題和影響航攝效率的因素，希望使無人機(jī)測量技術(shù)在地形測量中得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜斌.無人機(jī)測繪技術(shù)在地形測量方面的應(yīng)用分析[J].工程與建設(shè)，2022，36（03）：624-626+692.

[2]華鵬軍.無人機(jī)航測技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用分析[J].工程技術(shù)研究，2022，7（04）：209-211.

[3]趙超.無人機(jī)航空數(shù)字測量技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用研究[J].江西建材，2021（10）：172-173.

[4]朱青. 無人機(jī)測量技術(shù)在地形測量及制圖方面應(yīng)用分析[D].華北理工大學(xué)，2020.

[5]葉國鋒.無人機(jī)攝影測量技術(shù)在數(shù)字化地形測量中的應(yīng)用[J].河南建材，2019（06）：56-57.

[6]張育鋒.多旋翼無人機(jī)在地形測量中的應(yīng)用研究[J].智能城市，2019，5（16）：73-74.