无人机测量技术在地形测量中的应用分析

2022-11-25张俊康

电子元器件与信息技术 2022年7期

张俊康

广州计量检测技术研究院，广东广州，510663

0 引言

工程建设是一个比较繁琐和复杂的过程，因而在开始工程建设前，需要对施工所在地区的地形进行测量，以此确保建筑工程的安全、顺利开展。通过测量地形，绘制准确的地形图，在地形图上可以有效掌握此区域的地面情况和河流情况。在进行地形测量中，一般使用的方式为传统大型飞机的航拍技术，测量范围比较小的则使用人工进行测量和绘图，但是在实际应用中存在数据准确度的问题。随着无人机测量技术的出现，对地形测量起到了较大的推动作用，通过无人机测量技术可以获得更加精准的地形数据信息，以此绘制出的地形图也更加清晰、准确。

1 无人机测量的技术概述

1.1 无人机测量技术原理

无人机测量通常以航空摄影测量作为基础原理。无人机需要承载专业的数字航空拍摄设备，在低空航行的过程中对区域地形进行测量，获得高清的影像数据，接着利用鬼影软件，对航拍得到的影像信息进行分析，进而使其形成三维云模型，快速生成地理信息，达到地形测量的要求。

1.2 无人机测量系统的组成

无人机测量系统的组成：飞行平台、机载传感器、地面保障系统、发射与回收装置等。

1.2.1 飞行平台和控制系统

以应用领域作为划分依据，无人机有军用型和民用型两种。民用无人机目前被广泛应用于农业种植、灾情监测救援、影视拍摄等方面，在地形测量方面应用可以获得更加清晰的图像和准确的数据信息。飞行平台是无人机系统中的重要组成部分，涵盖了供电、飞行控制、动力装置等系统。数据终端则被安装在飞行器上，以此用来获得航拍的数据和图像等。飞行控制系统的存在是为了保障飞行安全，可以在无人机进行空中作业时进行实时的监控和操作，如果无人机面临危险的情况，则可以通过远程控制，使得无人机安全降落，保障了无人机的安全，从而降低了经济上的损失。

1.2.2 传感器的选择及校验

在传感器的选择上以成图的精度以及比例尺大小为依据，并且要求符合有关的规定。快门的最高速度达到1/1000s，镜头的像素需要超过2000W，成像探测器、机身和镜头都需要进行有效的连接。在进行校验之前，需要获得对应的资质，如果出现主点坐标误差、主距误差及残余畸变差等情况，需要及时进行校验。

1.2.3 地面保障级发回系统

利用无人机地面保障系统，对无人机的飞行情况进行远程操作，系统的组成包括地面供电系统设备和无线电遥控设备等。通过视频接收天线、地面遥控系统实现自动追踪的功能，显示出无人机飞行的具体参数和拍摄的视频、图像等，对飞行的数据进行读取和记录。在控制软件及反馈信息的辅助下，地面的监控工作者可以实时调整无人机飞行的路线，对无人机的飞行情况进行控制，一旦遇到紧急状况，则可以实现一键降落、返航等功能。无人机的系统功能中，还具有回收以及发射装置，使无人机能够进行重复利用，并且确保无人机可以顺利地飞行，完成飞行航拍工作。在完成拍摄工作之后，可以在指定的位置安全降落。

1.2.4 无人机数据处理系统

此系统的组成包括数字立体测量系统、空中三角测量系统、影像处理系统。系统的主要功能是进行信息采集工作，在地形图的绘制上需要以此作为依据，实时更新地理信息。

1.3 无人机测量作业的要点

在利用无人机进行测量作业前，需要对所测量区域的各项资料进行有效的采集，以此对无人机进行航线、航高等方面的设置，使其在符合一定标准的情况下开展航拍作业。结合无人机的飞行要求，以差异化型号的无人机标准实施操作。

1.3.1 飞行平台选择的要求

飞行平台可以确定飞行的质量和高度，结合具体情况选择对应的飞行平台，一般需要考虑的因素包括：①相对航高，范围在300～500m；②续航能力，根据航线距离，对无人机的续航能力进行设计；③抗风能力，飞行器设计的标准抗风力在四级风力；④飞行速度，以设计好的速度进行匀速飞行，可以保障无人机飞行的稳定性；⑤起降性能，可以在复杂的地形区域起降。

1.3.2 航高的确定

在确定无人机的航高方面，其计算方式包括相对航高以及绝对航高。相对航高是指无人机的摄影机对某基准面的高度，基准面为测区地表平均高度的平面；绝对航高指的是摄影机相对于平均海平面的高度，以测试区域内地面的平均高度为基准面，相对航高为无人机航拍的基本参数。

1.3.3 航拍基础和质量的保证

需要结合测试区域内的地形条件和测图比例尺，对影像的高距数值、影像用途等进行分析，以此保证成图精度可以达到测量的标准，有利于成本控制、提高效率。在航线的设置上需要参照用户的具体要求，在一定的设计标准下，合理设计重叠度，对基准面以及地形区别进行分析，使其可以达到成图的标准。在无人机为主上升或下降的状态下，需要控制其与水平位置的夹角度数在5°～12°，在困难区域的范围为8°～15°。如果飞行中发生摇摆的情况，则水平向及飞行器中心机翼的夹角数值在15°之内；如果出现漏拍摄的情况，则需要进行航拍的补摄。

2 地形测量中无人机测量技术的应用优势

在地形测量中，使用低空无人机测量系统飞行平台的多为轻小型无人机，需要利用传感器承载高分辨率的摄像机，结合3S集成技术，快速获得有关的影像数据，以提供精确的数据信息。在进行地形测量中，无人机测量技术的优势如下。

2.1 快速获得数据信息

在进行地形测量作业中，利用传统的测量方式，成本高、用时时间长，且以外业测量为主；对其数据进行分析，在进行检验、核对以及校对中，存在较大的工作量，需要大量的人力进行操作，不能在短时间内对测试的区域情况进行了解和掌握，一般还会出现遗漏的情况，这种情况下就需要进行区域的补测。利用无人机测量技术，在对区域地貌、地面物体等地理信息的采集和汇总上可降低作业时间，并且不会受到外界因素的干扰而发生数据信息采集受阻的情况，且不需要过多的测量和技术人员，在内业就可以较快地做好图像信息和数字信息的高效转化工作。将两种地形测量方式进行对比，无人机测量技术具有明显的优势，成本低、效率高，是在地形测量中值得广泛推广和应用的测量技术[1]。

2.2 测量数据精准度高

测量数据形成误差的原因主要在于：仪器出现问题引起的误差、人为操作引起的误差、外界自然因素引起的误差。传统的测量技术，受影像因素的干扰比较大，因而出现测量数据误差的情况也比较多，其数据分析的参考价值也会随之降低，也不利于建筑工程的高质量施工。利用无人机测量技术，通过立体图模型建立高精度的标准能够达到厘米级的精确度，测图的精度能够达到1∶1000，符合大比例尺地形图对于测量精确度的标准和要求。无人机可以实现超低空的飞行，在对图像的测量要求比较高的情况下，即使云量比较厚，也不会形成较大的干扰，所获得的图像色彩饱满度和清晰度都比较高。在无人机测量技术的应用下，拍摄的影像能够获得数量较多的地理信息，而以平差计算的方式对这些地理信息进行矫正，对于提升无人机测量的精确度具有重要价值。

2.3 具有灵活快捷的作业方式

我国地域辽阔，在测量作业中面临复杂地形的情况比较多，有些地形的复杂程度甚至比较高，受到气候的干扰，在进行地理信息的测量上就会面临较大的困难，而利用无人机测量技术可以较好地处理这一情况。无人机一般在低空区域进行测量作业，因而受气候因素干扰的程度非常小，这种情况下，在测量作业中不需要考虑复杂的地形情况。无人机自身的体型比较轻巧，不会受到起降环境的限制和要求，并且操作人员可以利用远程的方式对其进行有效操控，在测量作业中也可以确保操作人员的安全。无人机测量技术灵活快捷的作业模式，有利于加强测量工作的质量，同时也减少了对地形测量作业的人力支出[2]。

2.4 高协同应用力

无人机测量技术在地形测量作业中的应用，能够将航空摄影的功能充分展现出来，并且能够较好地连接到与其有关的技术，包括传统测量技术、遥感技术、GPS定位技术等，具有比较高的协同应用力。利用三维可视化数据以及影像进行模型和影像图的建立，包括数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）以及数字线划图（DLG），可以在地形测量作业中给予非常关键的辅助作用。通过无人机测量技术存在的兼容性能以及协同应用力，可以有效提高地形测量作业的效率，为建筑工程设计提供更加准确的数据信息。

3 无人机测量在地形测量中的具体应用

3.1 像片控制测量

在无人机测量技术的应用中，有关人员需要做好像片控制点的布设工作。在此项工作的具体开展过程中，需要以被测区域的具体状况、拍摄的跨度、对测图要求的精度等为依据进行布设，在测量实地进行确定基线以及踏勘选点的作业。像片控制点布设的方式包括非全野外布点和全野外布点。一般在小范围测量、成图精度高的要求下应用外业测定全野外布点。在布设好像片控制点之后，则需要联合应用GPS静态测量、GPS-RTK动态测量等进行测量，完成像片控制测量工作。在具体作业中，需要将人工布标架设在像片控制点上边，以此保障像片测量的准确性。对无人机上承载的摄像设备进行检查和校验，以此保障摄影设备可以在拍摄中处于正常的运行状态，以此更好地进行航空拍摄作业[3]。

3.2 航空拍摄作业

在无人机开始航空拍摄前，需要进行各项准备工作，在准备工作完成之后才可以正式实施航拍。开始前，需要对测量区域的地理位置、地貌状况和气候情况等进行了解和掌握，并且对航拍的天气进行选择，以晴天和无降水的条件为基础，且根据测量区域的实际情况，合理选择航空拍摄的设备。如：在地形比较平坦的测量区域，一般选择使用AF1000悉尼港的固定翼无人机；而在地形比较复杂的山丘和丘陵测试区域，一般选择使用哈瓦V8四旋翼无人机。同时需要根据被测试区域的地貌地形、地面建筑物以及外部的自然环境因素等，对航拍的架次、摄影区域的尺寸、拍摄图像的像幅等进行确定和设置。在进行航拍前，需要合理选择航摄的时间，结合被航摄区域的气候情况和具体的工作内容要求进行分析，以气象台的精准预报为准，组织高效的飞行。在航摄中，需要具有足够的光照度，并且阴影不宜过大。

3.3 空中三角测量

无人机在航空拍摄中进行测量，所获得的数据信息需要被纠正及调校后，才能得到准确的测量数据信息。在进行纠正和调校的时候一般会利用空中三角加密计算方式，利用半自动的作业方式，在像片上选取、测图量测定向点进行整体平差，将地球曲率、大气折光等导致的数据误差消除掉。空中三角加密是无人机成图的重要步骤，通过影像进行匹配，并提取出控制点，把所测区域的影像归纳到统一的物方坐标系，进而取得每张像片的外方位元素以及加密点的物方坐标。

空三数据处理利用的是空三加密基础理论，以光束法区域网的空中三角测量作为测量方式。在选取加密点时则需要加密点在此片及邻片上的影像必须是清晰的，并且容易进行测量以及判读。通常情况下，加密点的位置在像片标准处，布置在一些影像的地角或房角位置，以便更好地进行判断。做好航摄资料的准备后，再对其数据进行护理，降低数据处理中出现失误的概率。

3.4 内业数据采集及测图

将经过纠正以及调校处理后的像片数据信息通过地理信息数据进行收集。业内数据的采集及处理方式可以利用全数字摄影测量系统实施，以此可以获得更加精准的数据信息。对测试区域中关键的地理信息数据，在采集的时候通常会使用手动模式；而对于一般的地理信息数据，在采集的时候就可以使用计算机获得。将采集后的数据导入三角测量的加密平差计算成果，实施建模的操作，并进行数字高程模型（DEM）、数字正射。

影像图（DOM）以及数字线画图（DLG）的制作：对于数字线画图的制作，需要在数据处理后进行，以地面要素数字化的要求，对数据进行体现以及存储；此图制作后则是地理信息矢量数据集，一般情况下，会以点、线、面或特殊符号这些比较容易识别的图形信息进行表现。利用专业的数字摄影测量系统，处理航空遥感影像存在的畸形情况，以此获得影像的原始位置以及形态，同时经过相邻影像的惯性组成立体像对。之后利用三维眼镜等硬件设备，产生三维跟踪体，对三维的数据资料进行收集，之后再将其导入CASS中并实施有效的编辑，然后就可以获得矢量地理信息，也就是数字画图[4]。

3.5 外业调绘和精度检查

通过外业调绘可以复核无人机测量的结果，可将测量的数据结果以纸质地形图的模式呈现，对被测试区域缺失的清晰度和完整度步骤要素实施补测操作，并检查形成好的地面地貌信息、增加和补充缺少的地物和地貌等。对其测图精度进行检查，一般利用的方式为GPS-RTK测量，获得平面及高层的误差、地貌地物情况等，使其测量的数据更加精准，且符合地形图的效果要求和标准。