无人机测量技术在地形测量中的应用分析

2020-01-07丁锐

科学技术创新 2020年9期

丁锐

（内蒙古建筑职业技术学院，内蒙古呼和浩特010070）

1 概述

无人机测量技术是航空摄影测量和遥感中出现的现代测绘技术，该技术可以快速、及时和全方位地获取地理信息，具有飞行高度低、分辨率高、获取数据快速等特点，能够满足测量工作对于实时性的要求，所获取的高分辨率影像数据对于地理信息处理和应用具有重要的意义，目前已经成为测绘科学与技术领域研究的热点。

2 无人机测量的技术原理与系统组成

2.1 技术原理

无人机测量技术是遵循航空摄影测量的基本原理，采用无人机（unmanned aerial vehicle，UAV），搭载专业数字航测设备经低空航空摄影获取高清影像数据（像片），通过使用综合法、全能法、分工法等测图方法，对单张测图像片进行中心投影的透视变换，对立体测图进行投影过程的几何反转，通过数据分析处理软件进行影像数据的精细化处理进而生成三维点云与模型，实现地理信息的快速获取，生成测量产品，满足测量需求。

2.2 系统组成

无人机测量系统主要由三个部分组成，即：飞行控制系统、地面控制系统和数据处理系统。飞行控制系统是无人机测量系统中的主体部分，包括无人机机体与动力装置、机载航摄设备、飞行控制设备、导航装置等。地面控制系统也称为地面控制站，是无人机系统的指挥、控制中心。遥控无人机的上行数据及无人机向地面传输的图像和遥测数据都在此进行处理和显示。地面控制系统一般由航迹规划设备、控制及显示平台、图像处理设备、计算机及信号处理器、通信设备、无人机起降设备等组成。数据处理系统主要是对机载航摄设备获取到的高清影像数据，按照测量任务的实际要求进行解算和处理，生成三维点云与模型数据，获取相应的地理信息。

3 无人机测量在地形测量中的技术优势

3.1 数据获取快速高效

在采用传统方法进行地形测量工作时，需要投入大量的人工和时间，外业测量的工作周期较长，测量内业过程中对数据的检核和校对也需要很大的工作量，且不能快速掌握整个测区的测量情况，经常需要对测区进行补测。而无人机测量技术可以在短时间之内完成对地貌、地物的地理信息收集与整理工作，其作业条件不受地形和气候的影响，需要投入的技术人员较少，内业也可以在短时间内完成对图像信息与数字信息之间的转化。因此，与传统的地形测量工作方法相比，无人机测量技术可以快速获取地理信息数据，大幅度提高工作效率。

3.2 测量数据精度较高

在大比例尺低空测图中，测量误差主要为仪器误差、人为误差以及气候等外界因素影响产生的误差，若配合GPS 辅助控制测量，无人机测量的实际测量精度可以达到亚米级，测图精度可以达到1：1000，可以满足大比例尺地形图测量规范精度要求。同时，通过无人机测量所拍摄的像片还可以获取大量的三维地理信息，这些地理信息经平差计算矫正，可以进一步提高无人机测量的精度，因此，在地形测量中，无人机测量技术可以保证较高的数据精度，满足测量精度规范要求。

3.3 作业方式灵活快捷

在地形测量工作过程中，常常受到地形复杂程度，天气条件的制约和影响，使得地理信息的获取出现障碍，但是无人机测量技术的应用能够有效解决这些问题，无人机测量主要在低空域进行，天气条件对其影响有限，亦不受地形条件影响，在测量过程中无需考虑地形复杂程度等因素。同时，无人机体型较小，对起降的环境条件没有要求，无人机的操作人员采用的是远距离操作控制，可以确保测量操作人员的安全性。因此，其灵活快捷的作业方式可以进一步提高测量工作的效率和质量，降低测量成本。

3.4 协同应用能力较强

在地形测量工作过程中，应用无人机测量技术，不仅可以发挥其航空摄影的独特作用，还可以与GPS 卫星定位技术、遥感技术、航空测绘技术和其他传统测量技术等协同应用，通过其获取的三维可视化数据和影像可以建立数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）和数字线划图（DLG），为测绘工作提供更多的辅助应用。因此，无人机测量技术的兼容性和协同应用能力使得测量工作更能够取得综合效果。

4 无人机测量在地形测量中的应用过程

4.1 像片控制测量

在应用无人机测量技术进行地形测量时，第一步工作就是布设像片控制点，布设时根据测区实际情况和拍摄跨度、测图精度要求在实地进行基线确定和踏勘选点。像片控制点布设后可采用GPS 静态测量、GPS-RTK 动态测量或全站仪导线测量与测区内高等级GPS 控制点进行联测，进行像片控制测量。为确保像片质量，像片控制点上还需架设人工布标。像片控制点布设完成后，要检校无人机上的摄像设备，确保设备运行正常，为下一步的航空摄影做好准备。

4.2 航空摄影

在航空摄影开展前，首先需要根据测区地貌地形情况和天气情况规划设计科学合理的航线，要充分考虑到山区、平原、水域、建筑物和构筑物等地貌地物要素和风力、风向、光照等气候要素的情况，进而设置好航拍架次和拍摄区域宽度以及拍摄设备的像幅，选择气候条件较好的时间段开展航空摄影。

4.3 空中三角测量

航空摄影过程中得到的影像数据需要进行纠正和调校才能形成测量成果，纠调过程中采用的方法就是空中三角测量的加密计算，可以采用半自动作业的方法在像片上选取、量测测图定向点进行整体平差，消除地球曲率、大气折光等造成的数据误差。目前可以通过计算机软件进行空中三角测量的自动计算，实现相对定向和单片纠正，提高测量成果的质量，保证测量精度。

4.4 内业数据采集和测图

像片等数据源经过纠正和调校后即可进行地理信息数据的采集，内业数据的采集和处理可采用全数字摄影测量系统进行，为确保数据采集的准确性，重要的地理信息数据可通过手动方式进行采集，其他普通地理信息数据可以使用计算机进行立体采集。数据采集完毕后可以直接导入空中三角测量的加密平差计算成果进行建模并完成数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）和数字线划图（DLG）的制作。

4.5 外业调绘和精度检查

外业调绘是对测量成果的再次检核，使用的是纸质地形图对测区内不清晰不完整的地物地貌要素进行补测和修测，对已有地物地貌信息进行检查和改正，对缺失的地物地貌信息进行增补。同时，利用GPS-RTK 等测量方法进行野外实测来检查测图的精度，得出平面和高程误差结果，依据测量规范评判测量精度，从而最终形成测量内容表达清晰，地物地貌全面涵盖，测量数据准确可靠，测量精度符合规范要求的地形图成果。

5 无人机测量在地形测量应用中存在的问题

任何测量技术都存在短板和缺陷，无人机测量在地形测量中应用也存在下述问题：一是开展小测区地形测量的无人机一般体积小、载量低，通常携带普通微单相机来实现航拍，会使得像片像素不能满足成图要求，存在畸变差，导致数据精度不能达到地形测量的高精度要求；二是小型无人机所配备的电池容量较小，续航时间较短，不能满足长时间的稳定测量任务，航拍过程中存在不确定性，若飞行过程中遭遇强气流，可能会造成飞行器损坏等经济损失。