陳鐘鴻/廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院

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試論無人機在城市測量中的運用

陳鐘鴻/廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院

【摘 要】無人機測繪測量系統(tǒng)作為現(xiàn)代化測量裝備體系的重要組成部分，在城市測量服務(wù)中起著重要的作用。推廣應(yīng)用無人機測繪測量技術(shù)，即能夠有效的增強測繪測量成果，又能夠有效地促進(jìn)數(shù)字化城市建設(shè)的步伐，同時還能有效的提高社會管理效能。本文就無人機在城市測量中的運用進(jìn)行探討，以供大家參考。

【關(guān)鍵詞】無人機；城市測量；運用

引言

無人機是小型輕型遙控飛行器，在機器上搭載高分辨率的攝影專用鏡頭，通過遙控和GPS導(dǎo)向等方法以一定的速度和線路進(jìn)行攝影記錄的飛行器。無人機的飛行高度一般為地面200-300m，其數(shù)據(jù)主要記錄方式為光柵影像，在飛行結(jié)束后可以利用專用的處理軟件輸出含有位置信息的柵格圖像，在城市測量領(lǐng)域有著廣泛的運用，是一種新型的高科技的測量系統(tǒng)。

一、無人機測量系統(tǒng)的構(gòu)成

由小型無人機遙感平臺所構(gòu)建的城市測量系統(tǒng)的構(gòu)成并不復(fù)雜，其主要包含以下幾部分：小型無人機飛行平臺以及飛行控制系統(tǒng)、影像獲取設(shè)備、通信及遙控設(shè)備，還包括地面信息接收與處理設(shè)備。小型無人機平臺攝影測量系統(tǒng)中的飛行控制系統(tǒng)主要有以下幾項：保證飛行姿態(tài)平穩(wěn)的垂直陀螺；GPS接收天線和微處理器。就地面配套設(shè)備而言，它主要包括數(shù)據(jù)接收終端以及地面高清影像的數(shù)據(jù)處理終端和相關(guān)遙控設(shè)備。在具體的作業(yè)中，垂直陀螺的作用不容小覷，它可以測量飛機的俯仰姿態(tài)角和翻滾姿態(tài)角，此外，將垂直陀螺和微處理技術(shù)結(jié)合在一起，對于飛機在自主飛行過程中保持近乎“水平”狀態(tài)非常重要。機載通信設(shè)備也非常重要，它可以將攝像頭獲取的實時影像以及GPS 位置數(shù)據(jù)等有效傳回，從而保證了地面控制中心對飛機飛行、拍攝等情況的有效監(jiān)控，使航向和飛行姿態(tài)得到及時糾正。

二、無人機的航帶規(guī)劃以及控制網(wǎng)的建立

無人機在空中進(jìn)行飛行的時間一般是在一個小時左右，因此特別是在較大面積航攝時，航帶規(guī)劃顯得尤其重要。這種情況下可以在無人機起降的位置設(shè)計兩個飛行架次，在測量區(qū)域內(nèi)規(guī)劃好適當(dāng)?shù)娘w行航帶。當(dāng)一架無人機完成了坐標(biāo)上的前一部分航帶飛行后，返回進(jìn)行補給；另一架再將剩下的飛行航帶完成，這樣就可以獲得整個測量區(qū)域的影像數(shù)據(jù)。兩個架次的飛行時間一般在1.5h內(nèi)完成。

當(dāng)無人機在空中飛行時，需要在測量區(qū)內(nèi)建立控制網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)建立時根據(jù)測量區(qū)域大小，布設(shè)適當(dāng)密度的GPS控制點，點位分布均勻，根據(jù)實際需求采用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系；在各控制點上獲取準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置，用于后期像控處理。

在采用無人機航空攝影測量技術(shù)進(jìn)行拍攝時，其拍攝出來的影像數(shù)據(jù)和測量精度都是必須具有可靠性，拍攝時一般采用野外布置像控點的方式。對于控制點的選擇，必須是要使得影像清晰，能夠比較容易判斷的立體測量方位。且在進(jìn)行布置外控點時，要注意均勻性，這樣才能夠保證拍攝到的影像各處畸變均較小且沒有瑕疵。

三、無人機飛行平臺的技術(shù)指標(biāo)

目前階段，無人機的測量平臺尚未形成完善的作業(yè)規(guī)范，在很多方面還有提升的空間。目前航測規(guī)范的制定依據(jù)主要來自測繪單位當(dāng)下的技術(shù)條件等。就無人機而言，其是一種低空對地觀測平臺，最適宜的航拍高度應(yīng)為1000m以下，且它所采用的高分辨率的數(shù)碼相機成像設(shè)備相比傳統(tǒng)的航空攝影測量，也存在很大的不同。在這種情況下，使得現(xiàn)有的攝影測量規(guī)范的應(yīng)用具備相當(dāng)?shù)碾y度。從傳統(tǒng)的航測作業(yè)準(zhǔn)則來看，以下幾點參考指標(biāo)需要相關(guān)操作人員明確：飛行速度應(yīng)保持在50～100km/h 以內(nèi)；為免受到湍流阻礙，發(fā)動機不要在飛機前進(jìn)方向的前部；一定要確保發(fā)動機故障時，飛機能夠安全滑翔降落，相對于地面的飛行高度變化應(yīng)在 5%以下；對于相鄰攝站飛行高度的變化也有一定標(biāo)準(zhǔn)，以不超過5%為宜； 航攝平臺在作業(yè)過程中也應(yīng)引起重視，以水平誤差小于3°為宜；測量飛行速度的誤差要盡可能精確，以小于5%為宜；偏離航線的絕對誤差也有一定標(biāo)準(zhǔn)，其一定要小于相片旁向覆蓋度；由于發(fā)動機所引發(fā)的相機諧振，振幅的偏擺角在曝光時間內(nèi)應(yīng)低于8.6″。

四、無人機測量數(shù)據(jù)的處理

外業(yè)飛行的工作完成后進(jìn)行影像的優(yōu)化選擇，結(jié)合GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)與快速排片的軟件處理影像，對模糊不清的影像予以排除并確認(rèn)是否有漏拍現(xiàn)象發(fā)生。為了消除相機透鏡的畸變?nèi)毕莸挠跋?，根?jù)事先得出的檢校參數(shù)預(yù)處理無人機取得的原始影像數(shù)據(jù)。此舉是為了確保能自動提取連接點并保證對控制點量測的準(zhǔn)確程度。進(jìn)行平差后，所獲得的數(shù)據(jù)即為測區(qū)影像的空間坐標(biāo)與姿態(tài)信息。之后用攝影測量的專用軟件進(jìn)行立體測圖，由此能得到所測地區(qū)的大比例尺地形圖。之后進(jìn)行自動的地形提取以得到DSM。最后利用GIS軟件做出測繪地區(qū)的三維地表模型。

另外，內(nèi)業(yè)可利用專用的影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行合成和重疊處理，同時也可將外業(yè)測量的控制點輸入到系統(tǒng)對應(yīng)像控點，生成DEM、DOM等，然后進(jìn)行空三加密處理，最后生成帶坐標(biāo)信息的TIF圖片，在影片信息上進(jìn)行手工地物的勾繪，和外業(yè)調(diào)繪，同時利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地貌處理。

五、無人機測量用于大比例尺地形圖中的操作

無人機低空攝影測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用，主要包括野外像控點測設(shè)、數(shù)字測圖、內(nèi)業(yè)空三加密、獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)等幾個重要的步驟，其中內(nèi)業(yè)空三加密，主要是對精確匹配之后確定在相對定向中使用的影像坐標(biāo)文件、加密后的影像、記錄影像大地坐標(biāo)、相機文件、空三精度報告、空三平差的定向點影像坐標(biāo)文件、DEM數(shù)據(jù)、照片外方位元素等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，這些信息數(shù)據(jù)在經(jīng)過空三加密處理之后形成的影像，能夠?qū)⑵渲苯訉?dǎo)入SSK中，進(jìn)行數(shù)字測圖。

六、無人機測量精度的控制

1.采用無人機進(jìn)行航空攝影，與傳統(tǒng)的測繪航空攝影相同，在條件許可的情況下，盡可能選擇晴朗、能見度高的天氣進(jìn)行航空攝影，這樣能夠獲得色彩、地面信息豐富的影像，同時，能見度好的天氣，地面霧霾影響較小，影像曝光時光線的折射、散射現(xiàn)象較少，可以大幅度提高成圖的精度。

2.無人機航空攝影獲取的航空影像幅面較小，采用原有的空三軟件進(jìn)行平差解算，在多個測區(qū)處理過程中，均會發(fā)生不同程度的錯誤，加密測區(qū)的選構(gòu)尤為重要，目前使用較多的PATB平差軟件，對此類小幅面數(shù)碼影像的剔錯能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于23*23幅面。

3.無人機作為飛行平臺，在執(zhí)行航空測量任務(wù)時，容易受氣流變化和風(fēng)力的影響，可采用了二維姿態(tài)穩(wěn)定平臺，在小范圍短時間內(nèi)，受風(fēng)力和風(fēng)向的變化影響不大，容易通過姿態(tài)穩(wěn)定平臺的糾正獲得理想的姿態(tài)角度。

七、結(jié)語

總之，無人機技術(shù)在推動測量測繪科技不斷創(chuàng)新以及提升城市測量測繪服務(wù)能力方面起著重要作用，還能夠促進(jìn)相關(guān)部門對所需的地理信息進(jìn)行及時的掌握，幫助國民經(jīng)濟實現(xiàn)社會信息化，從而促進(jìn)社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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