无人机低空摄影测量系统在大比例尺地形图中的应用

2020-04-22周斌

中国金属通报 2020年3期

周斌

（河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南郑州 450000）

1 无人机低空摄影测量的发展状况

无人机摄影作为近几年行业发展的一个重要热点，随着摄影技术，硬件的不断升级，云台技术的不断突破，在这些技术的推动下，我们可以很容易的短时间内获得高精度、高分率的地形照片，在配合业界已经向成熟的高精度定位北斗、GPS等的通信手段，将测量技术与遥感技术的融合，让无人机的低空摄影测量系统成为大比例尺下的地形图的绘制，有着无法比拟的优势。但是，虽然在理论上已经有着高度的共识，但是在技术飞速发展的今天，任何我们看到的技术前景，都可能已经有人在做更新的技术尝试，这些技术在几十个国家的上百个项目中可以衍生的方向和新技术又可以说是层出不清的[1]。举例来说，在北京举行的2019瑞士创新周上，记者对话Fixposition公司创始人兼CEO苏振中，在其公司的无人机在测绘行业实现的重大突破就是让无人机和其他运载工具实现了厘米级的精确定位，在与RTK技术的深入融合中，他们找到了更深入的研究领域和方向，同样大疆创新也是作为一家在无人机飞行，动态捕捉、云台技术和设备良好可靠性而从一家初创公司跻身世界无人机巨头行列[2]。现在甚至可以说，任何国家或行业能够掌握无人机技术和相关导航、通信、测绘行业融合的一家企业，都是能够快速引领行业变潮，所以，掌握能够掌握无人机在低空领域的摄影测量技术，对于提升我国在无人机市场上的技术竞争力有着非常重要的意义。同样拓宽无人机及测绘信息技术的行业应用，在城乡发展规划、森林防火减灾、海洋生态保护、铁路、公路规划等的方面也都将有着极大地现实意义和经济价值。

2 大比例尺地形图绘制的价值

通常的，我们称比例尺在1:500～1:10万地形图为大比例尺地形图，大比例尺地形图作为建设规划、管理设计的重要基础性资料，在城市、国土资源、规划与管理及工厂、矿山设计与施工；矿山的储量计算等方面起着十分重要的作用。

当然，随着近年来大中城市对大比例尺地形图数据库的逐步建设并基本完成，大比例尺地形图数据的及时性问题逐步显现，在数据的的持续更新和不断改善上用户也提出了更高的要求，所以，这些测绘数据在不断发挥作用的同时，也是在不断被淘汰和抛弃的，尤其随着现在国家城镇化进程的快速推进，很多大中城市都对大比例尺地形图的更新要求由原来的三年五年，变成一年两年，甚至更短的时间，这样，也就对我们测绘人员的工作量和工作效率甚至是工作方法提出了新的要求[3]。

所以，现在大比例尺地形图的发展已经从模拟化向数字化转变后，再次从数字化向数据化动态更新方向发展的趋势下，如何更好地应用新技术和新方法来解决遇到的瓶颈，无人机的出现，在一定程度上让大比例尺地形图的绘制有了新的思路和方法，同时，由于更先进的工艺和制程，我们甚至可以使用规模化的云服务器将无人机采集到的信息数据进行同步实时处理，直接的得到大比例尺地形图。当然这也是无人机低空测量系统未来的一个极大优势。

3 无人机航空摄影测量的优势分析

（1）成本投入低，作为可不断重复利用的设备，无人机的成本投入相较于人员增加或大型设备的投入，都是性价比很高的投入。在无人机上挂载相应的云台和高清摄像机，就可以由经过培训持证的专业人员进行操作，摄像机将采集到的数据传输给主机，进行三维信息加工和处理从而得到需要的比例尺地形图。

（2）无人机的个头小巧，决定了其能有更好的机动性能，就目前的程序而言，能够很容易的做到自动巡航的功能，不需人为来操控，在检测到电量低于一定值之后，可以自动返航，回落到设定坐标点，除更换电池外，整机的免维护性很高。

图1 大疆“悟Inspire 2”基于前视和下视的双目立体视觉系统

（3）无人机能够获取更多及时有效的信息，作为低空摄影的设备，相比较更高阶卫星地图而言，一是在相同比例尺下，得到的有效信息更多，在低空和高清摄像机的加持下，能够对大比例尺下的地形图更好的描述，而卫星地图在高成本和更新效率较慢的同时，在大比例尺地形图的使用上，与无人机相比能够读取的数据信息相对更少，不能够很好的满足用户的需求。

（4）环境适应性好，只要能够满足无人机的正常起飞和降落及必要的通讯要求，不管在山区还是荒漠地带，都能够进行正常的数据采集，同时在城市高楼林立的地区，只要找到一个相对高点，在无人机覆盖范围内的公里内，测绘人员都能够哼好的采集到规划路线的地理信息数据。

（5）安全性能好，测绘人员可根据具体环境选择相对安全的位置和区域对无人机的释放和数据采集进行控制，一方面保证了设备的运行安全，另一方面，在特殊地形和危险区域避免人的直接接触，极大地提高了测绘的啊安全性。

4 无人机摄影大比例地形图测绘的问题讨论

（1）无人机测量精度问题。由于在大起伏地形中的落差变化较大，在无人机进行遥测时没有布置好适合的像控点，导致发生翘曲，平查数据精度不够，所以在复杂地形无人机测绘时，首先要选好适合的像控点，在满足无人机测量要求下，选取的像控点至少5个以上，当然如果无人机挂载像UCX类数字摄像机，能够自动进行空三加密，计算平差，依据相应规范最后加密，能得到适合精度要求的比例图，那么像控点的选择就不必太苛刻了。

（2）成像质量问题。相机成像的质量有多个因素决定，在大比例尺测绘中，高差比较大的影像获取往往会出想成像质量较差的问题，尤其是像树木、植被覆盖较密集的区域，植被纹理比较粗糙，涂抹感较强。出现这种问题的原因，首先是设备本身硬件素质有差距，这个是可以通过升级硬件来进行不断提高的。

同时，由于不同的环境条件下，相机的获取的感条件不同，在具体到图像上可能会出现较明或较暗的问题，这样的图像一般不能作为信息收录参考，所以才天气状况不好的条件下，可以通过调节曝光时间、感光度的手段来提高样张水平。像素主要相机本身决定，曝光时间的选取和天气有着密切的关系，当光线条件不好的时候，应该尽量增加曝光时间。

（3）图片重叠率问题。无人机摄影时，为提高成像质量，往往也会采用提高重叠率的方法来解决遇到的成像分辨率低等的问题。重叠率的提高会影响拍照的效率和有限空间存储信息量的降低，但是重叠率还有一个更重要的影响就是照片连接问题，在光线、环境都比较理想的环境中，我们往往也要保持一定的照片的重叠率，这样的话，可以保持拍摄出来的照片在连接时有足够的连接点，获取足够的信息。

重叠率若比较低，地物点在航拍的图片中少量出出现，在连接照片时可能会因为提取连接点少，造成连接点平差结构不够理想，所以保留相对比例的重叠率对大比例地图的整体成像是十分有必要的，也能够避免上述问题的发生。

（4）无人机飞行高度问题。任何的相机都是有有效摄影距离的，在无人机摄影时，在不同地貌，甚至是城市环境中有时可能需要航测飞行的高度较大，但是较大高度下，采集到的图像可能会相对模糊，不能够很好的满足需求。

我们知道无人机的飞行高度影响相机的GSD(地面样本距离类似分辨率)，每个像素点所能代表的真是尺寸，以大疆无人机，大疆精灵Phantom 4 RTK为例，考虑地形的起伏，根据公式H=36*GSD可以大致确定合适的飞行高度，建议设置的飞行高度不大于计算出的H，（其中GSD单位为厘米，H单位为米）。其无人机的GSD为2.74cm，对应飞行高度约100m，在100m以内的高度飞行采集到的像素信息我们认为都是可取的。一般的，通常飞机离地距离越近，GSD的数值越小，所成像的精度也越高。同时也注意到，在地势变化比较大的区域，要选择好合适的无人机飞行高度，对采集适合分辨率的图像也是有很好帮助的。