無人機傾斜攝影在水利工程測繪中的應(yīng)用分析

朱金海

（東莞市水利勘測設(shè)計院有限公司，廣東東莞 523000）

1 引言

測繪工作是水利工程建設(shè)一項必不可少的工作。在傳統(tǒng)測繪工作模式下，主要以人力為主，不僅測繪效率低，而且很容易受到種種因素的影響，導(dǎo)致難以獲得完整的測繪信息，最終阻礙了水利工程建設(shè)的發(fā)展。而無人機傾斜攝影技術(shù)有效解決了這一問題。通過應(yīng)用該測繪技術(shù)，測繪工作能夠不受客觀地形條件限制，通過操作無人機即可快速完成測繪作業(yè)，提升測繪工作的質(zhì)量水平，為水利工程建設(shè)提供充足的信息支持。因此，有必要加強對無人機傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用實踐分析，對推動水利工程建設(shè)發(fā)展有非常重要的意義。

2 無人機傾斜攝影的概述

無人機傾斜攝影測繪技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種先進(jìn)的測繪技術(shù)，采用傳統(tǒng)無人機航空攝影測繪，一般只能從垂直角度出發(fā)，完成地物對象的拍攝測繪，獲取測繪數(shù)據(jù)的角度、方式比較單一。而對無人機傾斜攝影技術(shù)而言，由于在無人機上搭載了多個攝像頭以及傳感器，因此，可以從垂直、側(cè)視等角度完成對地物對象測繪數(shù)據(jù)的獲取。將該技術(shù)應(yīng)用于水利工程測繪中，可以有效地確保獲取的相關(guān)測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性[1]。

用于傾斜攝影測量的無人機飛行標(biāo)準(zhǔn)要求具體包括以下幾點：（1）無人機載重不小于2 kg。（2）多旋翼無人機在巡航時，要求巡航速度大于6 m/s。如果是固定翼無人機，要求巡航速度在10 m/s 以上。（3）無人機要有充足的動力續(xù)航時間，要求電池動力續(xù)航時間大于25 min，內(nèi)燃機動力續(xù)航時間大于1 h。（4）無人機必須有較強的抗風(fēng)性能，通常能夠抵御4 級風(fēng)速帶來的影響。（5）在升空高度方面，要求無人機實用升空高度大于1 000 m，海拔高度在3 000 m 以上。

無人機傾斜攝影對搭載的傾斜相機也有著一定的性能要求。例如，CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》明確指出，針對無人機垂直攝影相片傾角要小于5°，最大不能超過12°。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，航測軟件處理能力也得到了升級優(yōu)化，因此，可以將傾角大于15°的航空測繪均歸屬于傾斜攝影范圍。實際進(jìn)行傾斜攝影測繪時，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括兩點，一是無人機能夠獲取不同角度影像的能力，二是無人機單次作業(yè)的廣度和深度。

3 無人機傾斜攝影在水利工程測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 確保水利工程測繪原始數(shù)據(jù)獲取的全面性

在水利工程測繪中，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的一大優(yōu)勢是能夠從多角度出發(fā)，保證獲取原始數(shù)據(jù)測繪的全面性。通過無人機航空測繪，能夠無視地形障礙因素，多角度對地物信息進(jìn)行拍攝，從而保證相應(yīng)數(shù)據(jù)獲取的全面性[2]。在獲得相關(guān)的測繪數(shù)據(jù)成果后，測繪人員可以從相應(yīng)模型出發(fā)，抽取各種格式的測繪輔助數(shù)據(jù)，如DEM 數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)等。不僅如此，圍繞所獲得的測繪數(shù)據(jù)成果，可以從中導(dǎo)出高密度點云與圖像，這些信息與原始數(shù)據(jù)有非常高的匹配度，從而為水利工程測繪工作開展提供非常重要的幫助，比如，可以結(jié)合具體的點云與圖像信息，使測繪人員對現(xiàn)場復(fù)雜的地形有全面的了解與認(rèn)識。除了可以獨立運用傾斜攝影測繪數(shù)據(jù)成果以外，還可以將該測繪成果與其他技術(shù)組合運用。比如，可以與遙感技術(shù)進(jìn)行組合運用，測繪人員可以直接從云端平臺獲得水利工程測繪區(qū)域的圖像信息，從而為水利工程監(jiān)測工作開展提供良好的幫助。最后，工程測繪人員還可以運用傾斜攝影測量技術(shù)，獲得一些分辨率較高的水利工程航空攝影圖像，再利用這些圖像數(shù)據(jù)完成水利工程數(shù)字工程建模與線路規(guī)劃圖的制作，從而為后續(xù)水利工程建設(shè)提供充足的測繪信息支持。

3.2 提升水利工程的測繪效率

在以往開展水利工程測繪工作時，通常以人力測繪為主，而水利工程面臨的地形環(huán)境復(fù)雜多變，因此，實際測繪效率較低。而通過應(yīng)用無人機傾斜攝影測繪技術(shù)，可以顯著提升水利工程的測繪效率[3]。首先，無人機可以低空飛行，不受客觀地形條件的限制，因此，能夠在短時間內(nèi)快速完成“跑圖”，測繪效率更高。同時無人機低空飛行時，整個操作比較自由靈活，同時也縮短了飛行周期，在既定路線規(guī)劃下即可完成測繪工作，因此，同樣有利于測繪效率的提升。不僅如此，從上文敘述可知，不同于傳統(tǒng)的無人機航空測繪，無人機傾斜攝影測繪可以搭載多個攝像頭，從多角度入手完成影像數(shù)據(jù)的獲取，因此，不需要進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行測繪，更有利于水利工程測繪數(shù)據(jù)提升。最后，在后續(xù)進(jìn)行測繪數(shù)據(jù)處理方面，也可以利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，有效減輕后續(xù)內(nèi)業(yè)測繪數(shù)據(jù)處理工作量，這對水利工程測繪效率提升有積極影響。

3.3 保障水利工程測繪作業(yè)的質(zhì)量

優(yōu)質(zhì)的測繪數(shù)據(jù)質(zhì)量對推動水利工程建設(shè)發(fā)展有非常重要的影響。在實際開展測繪工作的過程中，通過進(jìn)行無人機傾斜攝影測繪技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效保障水利工程測繪作業(yè)質(zhì)量水平。具體表現(xiàn)為以下方面：一是在獲得傾斜攝影測繪數(shù)據(jù)成果后，可以在相關(guān)先進(jìn)數(shù)據(jù)處理軟件的幫助下搭建測繪區(qū)域的三維模型，因此，可以實現(xiàn)對測繪數(shù)據(jù)成果的可視化處理[4]。不僅如此，還可以通過數(shù)值模型完成對測繪數(shù)據(jù)的編輯與分析，從而實現(xiàn)對測繪數(shù)據(jù)的高質(zhì)量、高水平應(yīng)用。二是無人機傾斜攝影測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求較高，尤其是在測繪平臺、傾斜攝影測量像素等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)方面的要求較高，因此，獲得的測繪圖像更加清晰，像素水平更高，分辨率也非常高，地物分辨率能夠達(dá)到5 cm 的精確度，因此，可以獲得高質(zhì)量的測繪數(shù)據(jù)，更好地滿足測繪數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。三是在無人機傾斜攝影技術(shù)的幫助下，可以實現(xiàn)泛在測繪工作開展，通過應(yīng)用一系列先進(jìn)的技術(shù)，減少對相關(guān)專業(yè)理論知識的依賴，保質(zhì)保量地完成測繪作業(yè)工作，獲得更高精度的測繪數(shù)據(jù)信息，為水利工程建設(shè)提供良好的支持。

4 水利工程測繪中應(yīng)用無人機傾斜攝影的措施

4.1 測繪數(shù)據(jù)獲取

在某水利工程測繪項目中，飛行平臺采用了六旋翼無人機，由電池提供動力，攝像機安裝數(shù)量為5 臺，并結(jié)合工程實際完成了航線規(guī)劃。在測繪數(shù)據(jù)獲取方面，按照5 個不同方向完成測繪數(shù)據(jù)的獲取。在傾斜攝影測繪技術(shù)的幫助下，共獲得了2 912 張照片，影像重疊度為85%，測繪面積0.6 km2，地表分辨率為5 cm/ 像素。在地面，測繪人員在GPS-RTK 設(shè)備的幫助下，設(shè)置了6 個控制點，主要目的是處理空中三角網(wǎng)平差。同時另外設(shè)置了6 個點，主要目的是負(fù)責(zé)控制點的檢查，從而有效推動測量工作的開展。

4.2 航空攝影

結(jié)合水利工程測繪區(qū)實際情況，預(yù)先完成無人機起降飛行場地的選擇。要求選擇的場地地形平坦，視野開闊，不存在高功率信號的干擾。同時還應(yīng)考慮實際的天氣情況，選擇在晴天、無云、風(fēng)力較小的時間段開展傾斜攝影測量工作。在無人機正式起飛前，還應(yīng)注意檢查飛機電池是否滿電、遙控器是否操作正常、控制平板電腦設(shè)備是否運行正常，從而確保整個設(shè)備狀態(tài)完好。在確認(rèn)一切狀況良好后，無人機正式開始起飛。在傾斜攝影測量過程中，要求嚴(yán)格按照規(guī)劃好的航行路線進(jìn)行飛行測量。在測量過程中，需要操作人員密切關(guān)注無人機的飛行狀態(tài)，監(jiān)測相關(guān)的飛行參數(shù)，掌握好各種傾斜攝影測量參數(shù)信息，無人機的飛行高度、飛行速度、飛行拍攝軌跡等。應(yīng)及時結(jié)合現(xiàn)場實際情況，靈活做好無人機飛行攝影參數(shù)的調(diào)整，確保順利地完成航空傾斜攝影測繪工作。

4.3 數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

在水利工程項目中，在通過傾斜攝影完成測繪成果獲取后，還需要對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在實際處理時，測繪人員應(yīng)用了三維建模軟件Context Capture 軟件。通過該軟件，可以結(jié)合獲得的數(shù)據(jù)，完成對測區(qū)地物三維模型的構(gòu)建。在這一過程中，包含了諸多復(fù)雜流程環(huán)節(jié)，比如，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的匹配，然后完成模型的搭建與修改，最后還需要對數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取，完成對平差的調(diào)整等。一般通過利用傾斜攝影測量獲取的數(shù)據(jù)，可以建立比較真實的數(shù)據(jù)模型。同時還能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行有效的兼容[5]。

在實際進(jìn)行模型構(gòu)建的過程中，還需要運用仿真軟件。在項目中，構(gòu)建模型所需要的數(shù)據(jù)主要通過傾斜攝影策略技術(shù)獲取，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理。然后，主要在自動貼圖技術(shù)、TIN 網(wǎng)絡(luò)的建立以及正射影像技術(shù)的幫助下，完成空間模型的構(gòu)建。此空間模型不僅包含所有的測繪信息，同時，使整體測繪圖像呈現(xiàn)更加立體直觀，從而便于測繪人員對水利工程整個測繪區(qū)域的地形地貌情況進(jìn)行全面深入地了解，從而為后續(xù)水利工程設(shè)計方案制訂提供充足的測繪信息支持。

4.4 精度控制

在本工程項目中，針對無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，還需要通過進(jìn)行檢查點的設(shè)置完成對高程與平面精度的控制，其中，工程測繪精度統(tǒng)計部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄如表1 所示。從表1中可知，在平面精度方面，最大平面誤差為6.1 cm，最小平面誤差為1.1 cm。在高程精度方面，最大高程誤差5.3 cm，最小高程誤差2.2 cm。表明該水利工程高程精度與平面精度均滿足相關(guān)的要求標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

總而言之，無人機傾斜攝影測繪技術(shù)是一項非常先進(jìn)的技術(shù)，在水利工程測繪工作開展的過程中，通過加強該測繪技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提升水利工程測繪效率與測繪質(zhì)量水平，能夠確保測繪獲得更加全面的原始數(shù)據(jù)信息。因此，有必要在水利工程測繪工作開展的過程中加強對無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，促使該技術(shù)發(fā)揮出應(yīng)有的價值，為水利工程建設(shè)提供充足的測繪信息技術(shù)支持，推動工程建設(shè)實現(xiàn)更好的發(fā)展。