無人機航測及地理信息技術在地形測繪方面的應用

近年來，無人機航測隨著無人機技術和數碼相機技術的進步而快速發(fā)展，是重要的地理信息采集手段，具有作業(yè)成本低、工作效率高、測量精度高等特色，極大地提高了地形測繪的準確性及可靠性。本文從無人機航測及地理信息技術的特色切入，結合實際探討了其在地形測繪領域方面的應用，以期對無人機航測工作提供參考，共同推動測繪行業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展。 地形測繪是對測量區(qū)域的地形、地物等的相對位置在水平面上的投影和高程進行測量，并按一定的標記和符號，以特定的比例繪制成地形圖的過程，其成果廣泛應用于工程建設、地質勘探、礦山開采、城市規(guī)劃、用地分析及軍事等多個領域。地形測繪發(fā)展前期，主要使用測繪儀等進行人工定位測量并繪制圖件，隨著遙感技術、全球定位系統(tǒng)技術及計算機技術的不斷發(fā)展，地形測繪工作開始利用衛(wèi)星及機載測繪系統(tǒng)開展，自此無人機航測技術應運而生并發(fā)展壯大，逐漸成為現階段最常見地形測繪技術。利用無人機航測技術，能快速、精準、高效地獲取測量區(qū)域的地理信息數據，極大地提高了地形測繪的工作質量和效率。 1 無人機航測及地理信息技術 ? 1.1 地理信息技術 地理信息技術是集地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)于一體的空間信息系統(tǒng)。其中，地理信息系統(tǒng)是借助計算機的支持，對測量區(qū)域的地理信息數據進行采集、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)是利用GNSS(Global Navigation Satellite System, 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星結合通信技術，采用距離交會原理實現目標坐標、高程的精準確定的技術；遙感技術則是以航空航天設備、攝影技術為基礎，利用其搭載的遙感器收集測量區(qū)域的地理信息數據，進而獲取遙感數據的技術。以上技術相互配合、相輔相成，可廣泛應用于地形測繪領域，減少測繪野外作業(yè)時間，下降測繪難度，提高地形測繪的效率和精度。 ? 1.2 無人機航測技術 無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)航測是航空攝影測量的一種，主要面向低空遙感領域，其發(fā)展得益于無人機技術及數碼相機技術的快速發(fā)展，航測無人機可分為固定翼無人機(見圖1)、旋翼無人機和復合翼無人機，通常由飛行器和遙控器(見圖2)組成，具有成本低、精度高、快速高效、靈活機動、適用范圍廣等特色。其中，固定翼無人機靠動力設備產生的推力經機身固定機翼產生升力，作業(yè)時需要以較快的速度保持飛行姿態(tài)，其缺點是無法在空中隨時懸停，其特性造成作業(yè)時無人機距測繪目標較遠，獲取的遙感影像分辨率較低；旋翼無人機是由其旋翼相對機身旋轉而產生的升力保持飛行，三個旋翼以上的無人機稱多旋翼無人機，可在空中懸浮，近距離拍攝測繪目標，拍攝獲取的遙感影像分辨率高，其缺點是作業(yè)時長及速度較固定翼無人機低；復合翼無人機又稱垂直起降固定翼無人機，其動力設備既包含固定翼也包含旋翼，集二者的優(yōu)點于一體，同時解決了固定翼無人機起降難的問題。無人機航測在小范圍內測繪工作效率更具優(yōu)勢，廣泛應用于地形測繪、工程建設、土地資源調查、地質災害應急處理、城市數字化建設、新農村及小城鎮(zhèn)建設等方面。 2 無人機航測技術的特色 ? 2.1 無人機航測作業(yè)成本低 傳統(tǒng)的人工測量技術主要利用衛(wèi)星測繪，就同樣的測量區(qū)域而言，其所需人員、地形測繪費用約是無人機航測的10倍左右，工期則是無人機航測的2倍左右。而無人機航測設備一經采購，其使用年限較長，維護成本較低，測繪作業(yè)所需人工少、效率高，能有效地節(jié)省野外測量時間，從各方面來看，經濟成本較人工測繪都有明顯的優(yōu)勢。由于無人機航測的作業(yè)周期短、測繪費用低，可極大地提高相關公司的核心市場競爭力，有助于公司擴大業(yè)務量，獲得良好的經濟效益。 ? 2.2 無人機航測快速高效 采用無人機航測進行地形測繪時，工作人員可按測量區(qū)域實際情況設定無人機飛行路線，優(yōu)化各項設置，合理控制無人機，使無人機在最優(yōu)狀態(tài)下垂直或傾斜采集測量區(qū)域的地理信息數據，現場作業(yè)時間短，獲取影像數據高效便捷，能及時對測量區(qū)域的地理信息數據進行有效的分析和控制，快速高效地完成地形測繪任務，特別是在大比例尺的地形測繪作業(yè)中，能不錯地完成質量控制，極大地下降測繪技術人員的工作強度，提高地形測繪的工作效率。 ? 2.3 無人機航測機動性強 傳統(tǒng)測繪現場作業(yè)時，其高程點需人工到位測量，某些區(qū)域如地形險峻、河流湍急、濕地等區(qū)域，人工測量難以滿足測繪作業(yè)需求。這時無人機的機動性強、反應迅速、全面覆蓋的優(yōu)勢就完全體現了出來，而且其體積小，單人即可攜帶運輸，現場作業(yè)操作簡單，對操作場地和周邊氣候環(huán)境等方面的要求也不高，如多旋翼無人機隨時隨地可完成起飛作業(yè)任務，并根據現場實際信息接收情況，對有疑慮的測繪區(qū)域及時補測；遇到現場工況確實比較差的情況，無人機也可靈活暫停作業(yè)，待現場工況符合作業(yè)條件后，繼續(xù)開展后續(xù)的地形測繪工作。 ? 2.4 無人機航測精度高 對于人工測量中無法到達的區(qū)域，常規(guī)測繪作業(yè)中普遍的測點間隔過大等情況，都是影響最終地形成圖精度的主要因素，無人機航測可無視絕大多數不利環(huán)境進行測繪作業(yè)，全方位獲取測量區(qū)域地理信息數據。目前的無人機航測設備均配備精度極高的高清影像設備，在測繪作業(yè)中能快速清晰地獲取測量區(qū)域的地理信息數據，獲得的數字影像分辨率高，并且影像中包含了坐標信息即地形測繪所需的重要信息，為地形成圖提供高精度的原始資料。同時無人機航測具備高協(xié)調性，可同時結合衛(wèi)星遙感、航空測繪數據，及時與地面控制系統(tǒng)形成互動，及時修正有偏差的影像及數據，極大地保證地形測繪數據的精度和質量。 ? 3 當前無人機航測存在的不足 ? 無人機航測技術與地理信息技術結合后獲得了快速發(fā)展，其優(yōu)點不言而喻，但同時也存在一定的不足。例如多旋翼無人機總體質量較小，高空風力會對無人機航測作業(yè)產生不利影響，造成其飛行不夠平穩(wěn)，造成最終獲取的影像數據的清晰度下降；另外無人機設備傳感器發(fā)展仍存在一定的缺點，精度不夠高，因而影響了航測數據的精準性；同時電子通信技術也是影響無人機航測精度的因素之一。為了提高無人機航測數據的準確性和可靠性，還必須科學規(guī)范地開展航測工作。 ? 4 無人機航測技術在地形測繪中的應用 ? 4.1 像控點布設的應用 利用無人機航測進行地形測繪時，像控點布設尤為重要，其布設質量直接關系著測繪質量的高低，因此需要科學合理地布設像控點。無人機航測像控點設置可按測量區(qū)域均勻布設，各像控點間應有一定的幾何強度，布點應滿足規(guī)范要求的密度，盡量挑選方便查找處理的位置，如住房角點、斑馬線角點、地物交叉點等，當無明顯地物或地標時，可以人工噴油漆等方式進行標記布點，像控點布設位置應挑選清晰易識別、固定不移動、平整無陰影、無外物遮擋的區(qū)域。像控點布設的密度應結合測區(qū)地形和測繪精度要求確定，對于地形地貌較為復雜的區(qū)域，需要適當增加適量的像控點。對于像控點的坐標及高程采集，精度需控制在5cm以內，通常使用較多的是RTK(Real-Time Kinematic, 實時動態(tài)定位)方式，在此期間，應保證RTK接收機與無人機網絡接入點、端口等一致，以保證獲取數據準確可靠。在后期室內資料處理時，可用相關軟件導入像控點坐標信息，對控制點進行刺點，對影像數據中不滿足要求的像控點進行適當的調整。 ? 4.2 空中三角測量的應用 空中三角測量也稱為攝影測量加密、空三加密，其原理是利用已知的像控點坐標，利用攝影測量解析法求解所有影響的外方位元素，要求每個模型的已知點不小于4個。目前大量使用的全自動處理的GodWork空三軟件，利用獲取的影像自動匹配航向和旁向的像點，并對影像根據外業(yè)控制點進行數據處理校準，求得像片的外方位元素，再利用雙像或對像空間前方交會法，獲取全部加密點的地面坐標數據。在無人機航測作用時，獲取的是多個獨立的影像，其之間靠連接點來實現，因此除了無人機航測設備的精度、坐標量測系統(tǒng)、現場作業(yè)人員的水平之外，影像間連接點的測量精度也在一定程度上決定了地形測繪成果的質量。 ? 4.3 補充測量的應用 在測量區(qū)域具體的地形測繪過程當中，可能存在無人機航測的盲區(qū)，這就要求測量人員根據測區(qū)的實際情況分析，科學合理地布置無人機航線及像控點，保證不可遺漏，確保獲取的航測數據的完整性，同時應及時地對獲取的影像數據進行校核，對出現遺漏的區(qū)域及時進行補充測量，同時也可以采用外業(yè)調繪的方式，對初步形成的地形資料進行檢驗分析，以減少和消除偏差，更好地保證地形測繪的準確性和可靠性。 ? 5 ?結 束 語? ? 隨著科學技術水平的快速發(fā)展，地形測繪行業(yè)在無人機航測領域取得了重大進步，其相對于傳統(tǒng)測繪技術，具作業(yè)成本低、工作效率高、測量精度高等諸多特色，極大地提高了測繪工作的質量和效率，是一種可大力推廣應用的新型測繪技術，為測繪行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。 文章來自：https://mp.weixin.qq.com/s/IXWlVglryn6Ku_6wweRwvw