无人机倾斜摄影测量技术在航道测绘中的应用探究

2021-04-22石江滨

科技经济导刊 2021年10期

石江滨

（黑龙江省航道事务中心，黑龙江哈尔滨 150026）

我国国土面积辽阔，拥有大量的河流和海岸线，尤其是长江干线更是我国的主要内陆航道。随着长江干线航道尺度的不断提升以及数字化航道建设速度的不断加快，航道测绘的工作量持续增加，并对航道应急测量、快速测量以及航道监测的工作质量提出了更高的要求。在现阶段的时代背景之下，传统的航道测绘技术所存在的弊端和不足之处愈发突出和明显，已经无法满足现阶段的测量需求，急需引入全新的测量技术来改善测量质量。无人机测量系统与传统测量系统的融合可以构成全新的测量平台，能够显著提高航道测绘的科技水平和工作效率，从而在保证测量质量的基础上，大幅度减轻工作量和工作压力。在这一背景之下，加强对于无人机倾斜摄影测量技术在航道测绘中的应用分析，对于进一步提高我国航道测绘水平有着一定的现实意义。

1.无人机测量系统的现状

无人机是由遥控设备所操控的无人飞行器，其最早诞生于上个世纪20年代，主要用于靶机训练，后续被逐步应用于军事领域，直至21世纪末期才逐步转入民间使用。上个世纪90年代，欧美等发达国家开始认识到了无人机的商业价值，逐步加强了研发力度和投资规模，这也从根本上推动了无人机技术的迅速发展。无人机技术在我国的起步时间较晚，初期阶段以国外技术进入为主，且早期阶段主要集中于军事领域。近几年，无人机商业化进程飞快，在技术优势的推动之下，其制作成本、操作精度以及体积大幅度降低，并形成了无人机规模产业，诞生了诸多国产无人机品牌。现阶段，除了军事以及个人爱好之外，无人机主要应用于测量测绘领域，其自身的技术特征意味着可以适应多样化的天气和地形地势，从而获取传统测绘技术无法获取的地理信息数据[1]。

1.1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是一种新兴的测量技术，其主要通过无人机飞行平台为主要载体，利用多台传感器实现摄影测量，能够对特定无尽进行倾斜、垂直等多角度影像采集，进而获取高精准度的物体信息。无人机倾斜摄影测量技术的技术特征主要包括以下三点：一是弥补正射影像缺陷。在传统的测量技术体系当中，正射影像为主要的影像形式，正射影像虽然能够反映特定物体的表面特征和相关信息，但其自身存在明显的缺陷和不足之处，尤其是存在影像盲区，不利于获取真实的数据信息。而无人机倾斜摄影测量技术的应用则可以实现更多角度的影像测量，最终所获取的影像数据能够真实反映物体的具体情况，从而有效弥补了正射影像的不足之处。二是多功能测量。无人机倾斜摄影测量技术可以在基本影像数据的基础上，进一步对特定物体的坡度、高度、角度和程度进行综合性测量，而这一技术优势也决定了技术本身的地位和适应范围，这也是决定其应用范围广阔的主要原因。三是降低建模成本。依据测量测绘数据构建三维模型是航道测绘的主要工作环节，传统的建模环节费时费力，且整体成本较高，效率较低。而无人机倾斜摄影测量技术的应用则可以与航空摄影相互结合，通过批量提取纹理的方式来构建三维模型，建模成本大幅度降低，建模效率大幅度提升[2]。

1.2 无人机激光雷达系统

无人机激光雷达系统由数码照相机、定位系统、激光测高仪和IMU等设备构成，该系统能够实现对特定物体的全面测量，且测量结果可以实时反映在特定的计算机设备当中，从而为用户提供高精准度的地形地势数据。激光雷达系统与传统的定位测量系统相比具有明显的优势，尤其是对于地面控制点的需求量较低，且测量精度较高、效率更高、成本更低，这也意味着激光雷达系统具有普适性的特征，可以应用于多种工程测绘当中。

2.无人机倾斜摄影测量技术在航道测绘中的应用

2.1 测量植被复杂地区

无人机激光雷达系统具有同一脉冲多次反射的基本特征，而测量植被复杂地区时，激光照射在树叶、树干以及地面时会持续多次返回，最后也意味着在测量同一区域时可以获取一组多次返回数据构成的三维坐标点，并具有明显的层次性。反观传统测量技术RTK测量，其在测量植被复杂地区时会频繁出现数据信号差的情况，不仅测量效率较慢，且测量精度明显不足，不适合应用于航道测绘工程当中[3]。

2.2 测量临河设施

以长江为例，长江的整体长度较长，跨越了多个省市，且整个长江干线的沿岸分布着诸多的码头等临河设施。需要注意的是，长江沿岸的大部分码头为非固定码头，即浮式码头，当长江干线的水位发生变化时，码头的具体位置、高度等均会发生改变。在长江沿线设施较多的情况下，若采取传统的测绘技术，则需要数年时间才能够实现对整个巷道情况的更新，且测量结果仅仅能够反映测量阶段的具体状况，不具备实时性，无法反映实时信息。无人机测绘技术的应用不仅可以有效弥补传统测绘技术效率慢、周期长等弊端，且能够实现对码头等临江设施的实时数据获取，从而为航道管理工作提供更加准确的数据信息。

2.3 测量岸线、洲滩

使用无人机测量技术测量航道时，可以准确反映岸线、洲滩的具体变化情况，数据准确性较高。而传统的全站仪测量和RTK测量则在测量陡岸时具有明显的缺陷和不足之处，测量成本的花费与测量效果不成正比。此外，无人机测量技术所获取的数据信息种类较多、数据多大，能够多角度反应岸线、洲滩的真实情况，对比传统的特征点数据测量方法而言，无人机测量的规范性更加明显。需要注意的是，在使用无人机测量岸线、洲滩时，需要注重对布控点的有效把握，尽量确保布控点周围有明显参照物，以确保航线能够与测量照片保持较高的重叠度[4]。

2.4 测量水深

水深测量主要依靠于无人机激光雷达系统，激光雷达系统能够向特定航道区域发射特定长度的波长，并依据激光反射数据来对水深作出判断。水深测量功能目前在淡水航道中的应用效果不佳，这主要是因为淡水航道中往往具有大量的悬浮杂质，实际测量过程中容易对激光反射效果形成干扰，最终的测量精度也容易受到客观因素影响。由此可见，水深测量对水文条件有着较高的要求，该功能更加适合应用于海水航道测量，后续依然存在较大的技术改进空间。

2.5 测量架空电缆和桥梁

架空电缆和桥梁均是航道测绘中的主要测量对象，此类建筑往往会在客观因素的影响之下出现最低点变化和形变，如温度、重力等均是主要的影响因素。在使用无人机测量架空电缆和桥梁的位置时，最低点测量是主要的测量项目，整个测量过程较为简单，测量效率较高，且数据结果准确。正因如此，无人机测量技术目前已经成为了测量架空电缆和桥梁最低点变化和形变的主要手段，其不仅可以应用于航道测绘当中，架空电缆和桥梁的管理维护工作也会应用到无人机测量技术[5]。

2.6 测量地质灾害、船舶流量

与传统测量测绘技术相比较，无人机测量的优势在于能够获取大规模成像，且测量效率较高，基本上可以实现实时测量。正因如此，无人机测量技术在地质灾害和船舶流量监控中具有较高的应用价值，尤其是在激光雷达系统的参与之下，整个监控环节将不再受到时间和空间的限制，可以根据实际需求随意获取任何阶段和任何区域的数据信息。对于航道测绘工作而言，地质灾害和船舶流量测量具有一定的现实意义，其对于航道管理工作的开展有着积极的影响作用。

2.7 测量航道整治建筑物

部分航道整治建筑物具有典型枯水期特征，即在枯水期阶段才会露出水面，这一阶段可以通过无人机测量技术对整个航道内部的整治建筑物进行数据采集，包括建筑物成像和坐标定位等，从而全面了解航道整治建筑物的具体状况和损坏情况，并结合历史数据参数，对整治建筑物进行全面分析，最终的分析结果可以反馈给相关修复部门，由专业的修复部门完成对巷道整治建筑物的修复工作。对于干线较长的航道而言，应用无人机测量整治建筑物的优势十分明显，可以弥补传统测量技术的缺陷。

2.8 大比例测图

无人机测量技术在大比例测图中的技术优势较为明显，一般可以完成1∶500的测图工作，有特殊需求的情况下还可以将这一比例进一步提升。无人机测量技术自身所需要的测量周期阶段、成本较低、数据精准度较高，可以有效减轻测绘人员的外出工作压力和工作量，从而确保在规定时间范围内完成测图工作。此外，无人机激光雷达系统可以通过雷达技术获取数据点，辅助大比例测图工作的开展，从而大幅度提高图像精准度。

2.9 技术缺陷分析

无人机测量在实际应用过程中的主要技术缺陷集中在续航时间方面，尤其是在开展大范围测量工作时会呈现出续航时间明显不足的状况。续航问题的存在也造成了一定的安全隐患，无法保障在规定时间范围内完成测量工作。即便是在保证电力供给充足的情况下，长时间持续性的运行也会对无人机的动力系统造成一定的影响和损坏。此外，无人机测量技术的应用容易受到客观天气条件的影响和限制，尤其是存在雷电、强降水和大风天气时，无人机自身的安全性将受到直接的威胁。