范天雨 董 浩 田振興 王 博

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

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·測量·

無人機在工程測量中的應用★

范天雨 董 浩 田振興 王 博*

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

介紹了無人機UX5的系統(tǒng)組成與設計參數(shù)，在闡述固定翼無人機Trimble UX5外業(yè)作業(yè)流程和UAS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程的基礎上，將UX5無人機應用在某實際工程測量中，可快速有效地進行地形測量、三維建模、施工圖繪制等工作。

無人機，工程測量，外業(yè)航攝，內(nèi)業(yè)處理

0 引言

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電控設備或計算機預編程序自主控制飛行[1]。無人機作為空中遙感平臺的微型遙感技術(shù)，其特點是：以無人機為空中平臺，遙感傳感器獲取信息，用計算機對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。無人機系統(tǒng)具備云下作業(yè)、高現(xiàn)勢性、小范圍、高清晰、大比例尺、小型輕便、高效機動的特點，而且無人機結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低，廣泛應用于基礎測繪、應急救災、突發(fā)事件處置、巡查監(jiān)管、影視制作等領域[2]。本文以Trimble UX5固定翼無人機在河南交通職業(yè)技術(shù)學院航測試驗為例，分析該技術(shù)在工程測量中的應用。

1 無人機UX5系統(tǒng)組成及參數(shù)

UX5是一種用于航測的無人駕駛飛機，硬件系統(tǒng)包括飛行平臺和地面站，如圖1所示，具體組成有：機身、彈射架、控制盒(eBOX)、相機和地面控制軟件。UX5無人機航測系統(tǒng)遵循預編程起飛、飛行和人工干預最小路徑降落。

UX5無人航測系統(tǒng)包含一個專業(yè)航攝相機，在航攝區(qū)域飛行作業(yè)時，相機會按照指定的重疊度和高度進行曝光拍攝，與此同時，飛控系統(tǒng)會自動記錄此時的位置和姿態(tài)等logs數(shù)據(jù)[3]。UX5參數(shù)如表1所示。

2 操作步驟

UX5的操作流程大致分為三個部分：前期任務規(guī)劃、外業(yè)航攝以及內(nèi)業(yè)影像處理。

2.1 前期任務規(guī)劃

1)制定任務計劃。UX5無人機航測飛行需要接收衛(wèi)星信號，進行衛(wèi)星定位航道，因網(wǎng)絡信號有限制，所以需提前下載離線地圖，制定任務計劃，以便節(jié)省外業(yè)航測時的工作時間。

在Google Earth中選定需要測量的大概區(qū)域，并將其保存為kml格式的文件。之后打開Aerial Imaging軟件，建立新項目，將之前保存的kml格式文件導入到新建的項目中，下載所選區(qū)域的離線地圖，將其導出為gwt格式文件作為任務計劃文件。

表1 UX5參數(shù)

2)相控點布設。UX5采用單點定位方式，利用相控點可以將坐標系轉(zhuǎn)換成我們所需要的地方坐標系。每一個架次至少需要布設5個相控點，并且相控點要均勻分布在整個測量區(qū)域內(nèi)，遇到森林、山區(qū)等地形變化的地方要加大相控點布設，盡量布設在高處及低處，若標靶布置不合理，最后拼接結(jié)果會出現(xiàn)撓曲現(xiàn)象，導致數(shù)據(jù)不準確。

2.2 外業(yè)航攝

1)制定飛行計劃。飛行計劃的制定要根據(jù)現(xiàn)場實際地形條件，首先需精確本架次飛行測量區(qū)域，設置風向，選定起飛點、降落點，并進行航線規(guī)劃。航線規(guī)劃就是根據(jù)航攝相機參數(shù)、航高、航攝比例尺、航攝區(qū)域等信息，按照航向重疊度80%，旁向重疊度80%，以便保證出圖或者測繪需要，來設計飛機飛行路線。

2)飛行作業(yè)。進行飛機機體的拼裝以及彈射架的安裝，將設置好的具體的飛行信息導入eBOX中，彈射起飛。

無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是航測系統(tǒng)的重要組成部分，在無人機航拍時，對無人機的操控、跟蹤定位以及信息傳輸，遠距離實時操控無人機和實時獲取無人機的實時飛行信息，包括飛行時間、飛機位置經(jīng)緯度、飛行高度、飛行速度(對地速度和對空速度)、飛行姿態(tài)、飛行進度、已拍攝照片數(shù)量、連接衛(wèi)星顆數(shù)和電池電量等。

無人機起飛后進入啟動巡航模式，按照之前設置的航線飛行，操控人員應時刻注意飛機的飛行狀態(tài)信息，觀察手應注意觀察飛機周邊情況，若飛行狀態(tài)出現(xiàn)異?；蝻w機周圍出現(xiàn)其他飛行器，應及時進行人工干預。

結(jié)束航行后，飛機將按照預定線路飛行到距離降落點300 m上空75 m處以100 m為半徑盤旋，查看降落區(qū)域無異常情況時，可確認降落，飛機采用逆轉(zhuǎn)螺旋翼減速降落，降落后檢查無人機以及其狀態(tài)信息并收回。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

1)數(shù)據(jù)準備。

飛行任務結(jié)束后，從飛控系統(tǒng)(eBOX)中導出飛行記錄數(shù)據(jù)文件，位置與姿態(tài)系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)信息是最重要的信息，包含每張照片的拍攝時刻的位置(X，Y，Z)、航向傾角(Phi)、旁向傾角(Omega)、像片旋角(Kappa)等信息[4]。對測量的像控點坐標進行整理，像控點按T1(x，y，z),T2(x，y，z)，…，Tn(x，y，z)排列，保存為csv格式的文件。

2)數(shù)據(jù)解算。

a.項目建立。打開UAS Applications Master軟件，新建項目，選擇圖像坐標系，默認為WGS84系統(tǒng)下的經(jīng)緯度，編輯攝影機ID，并根據(jù)相機檢校參數(shù)修改軟件的參數(shù)信息，以達到最優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。

b.航帶生成。導入航拍影像數(shù)據(jù)，并導入影像的POS數(shù)據(jù)，使所有航拍影像都匹配到其位置信息，然后在“分組”中生成航帶并保存。人工判斷航帶是否正確，如果不正確需要重新進行航帶整理，直至航帶排列正確。

c.加入像控點。在UAS項目編輯器打開“點”，導入之前保存csv文件，選擇控制點坐標系，尋找測區(qū)合適的坐標系。之后導入外業(yè)完成布設的像控點數(shù)據(jù)，并且在“平面編輯器”中標記像控點所在的航片。

d.數(shù)據(jù)處理。像控點導入后，在UAS Applications Master(DEMO mode)中點擊“地理參照”，進行UAS測量，從照片中提取特征點數(shù)據(jù)，對每一張航拍照片進行精確定位，將相同位置的點進行匹配連接。最后進行空三計算，對所有連接點進行平差和校準。

3)數(shù)據(jù)導出。

UAS Applications Master可導出多種類型的數(shù)據(jù)，以滿足不同任務的需求，例如未畸變影像、三維網(wǎng)格紋理、加密點云、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正攝影像圖(DOM)、等高線、谷歌地圖瓦片數(shù)據(jù)等[5]。

在UAS中對點云模型進行濾波，可減少由于地面植被影響對地面高程測量存在誤差，增加地形測量精度。

3 實例應用

3.1 項目概況

本次航測區(qū)域為河南交通職業(yè)技術(shù)學院新校區(qū)，該校區(qū)位于鄭州市中牟縣鄭開大道龍陽路，占地面積883畝，校舍建筑面積34萬 m2。

3.2 外業(yè)航攝

在進行航飛之前，首先進行任務計劃制定：在Google Earth中選定航測區(qū)域，制定任務計劃文件。

根據(jù)現(xiàn)場勘查，在校園西側(cè)選擇起飛、降落點；像控點每隔200 m布置一個，總共布置9個標靶；巡航高度為150 m，地面分辨率為3.9 cm。本次巡航飛行12條航帶用時15 min，共拍攝348張照片，航攝區(qū)域面積0.456 2 km2。像控點坐標如表2所示。

3.3 內(nèi)業(yè)處理

飛行結(jié)束后，從手部中導出飛行數(shù)據(jù)，導出為csv格式，并將相機中的照片與飛行數(shù)據(jù)放置在同一個文件夾中。在Excel中輸入坐標序號和坐標值，另存為csv格式文件。

表2 像控點坐標 m

打開UAS Master新建項目，在投影坐標系中選擇WGS84，然后設定相機參數(shù)(攝像機ID設為1，傳感器類型選擇CCD寬幅，品牌選擇Trimble UX5 A5100)。導入影像文件，生成航條，導入像控點坐標(之前建立的csv文件)，然后進行地理參照，提取特征點，進行數(shù)字化控制測量并刺點，經(jīng)平差和校準后生成正攝影像[6]圖(如圖2所示)、三角網(wǎng)格模型圖(如圖3所示)及等高線圖。

在正攝影像圖中可以進行長度、面積、高程等的測量，等高線圖可使測量及繪圖更加方便，在三角網(wǎng)格模型可進行體積測量。正攝影像圖、三角網(wǎng)格模型、等高線圖還可導入其他軟件中，例如AutoCAD，Global Mapper，對數(shù)據(jù)進行進一步分析處理工作[7]。

4 結(jié)語

近年來無人機的快速發(fā)展使其應用領域不斷擴展，在航測領域更是擁有傳統(tǒng)測量所不具有的優(yōu)勢。小型航測無人機結(jié)構(gòu)簡單，飛行靈活，運行成本低，影像分辨率高，且可以通過濾波功能對測量區(qū)域多林多草地帶進行濾波，減少測量誤差。特別是對于水利工程，大多位于山區(qū)，林草茂盛，無人機測量可大幅度提高測量效率。

在工程的設計建設過程中，利用無人機和各種數(shù)據(jù)處理軟件，可以有效快速地進行地形測量、三維模型建立、施工圖繪制等工作。未來測繪生產(chǎn)將會逐漸以三維模型為主，相比平面圖使用起來更加直觀方便。無人機也將在此過程中扮演著重要角色。

[1] Adam C,Vincent G,Everett A.Unmanned Aircraft Systems in Remote Sensing and Scientific Research：Classification and Considerations of Use[J].Remote sensing，2012(4)：1671-1692.

[2] 胡 博,呂 鐸,李志斌,等.三維全景信息技術(shù)輔助房屋拆遷管理的應用研究[J].測繪地理信息,2017，42(1)：88-90.

[3] 魯 恒,李永樹,何 敬,等.無人機低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取與處理[J].測繪工程,2011，20(1)：51-54.

[4] 董 培,石繁槐.基于小型無人機航拍圖像的道路檢測方法[J].計算機工程,2015，41(12)：36-39.

[5] 崔恒賓.數(shù)字地面模型原始數(shù)據(jù)采集方法與精度研究[D].西安:長安大學，2012.

[6] 云 超,李小民,鄭宗貴,等.中小型無人機建模分析與仿真研究[J].計算機仿真,2013，30(11)：32-35.

[7] 薛永安,王曉麗,張明媚,等.無人機航攝系統(tǒng)快速測繪礦區(qū)大比例尺地形圖[J].測繪地理信息，2013，38(2)：46-48.

On application of unmanned aircraft in engineering measurement★

Fan Tianyu Dong Hao Tian Zhenxing Wang Bo*

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

The paper introduces the UX5 system components and design parameter of the unmanned aircraft, applies UX5 unmanned aircraft in the engineering measurement based on the indication of the unmanned aircraft of fixed wing and Trimble UX5 outdoor procedure and its application in the UAS data treatment, so as to have the efficient work in the topographic measurement, three-dimension model establishment and construction mapping.

unmanned aircraft, engineering measurement, outdoor aerial photography, indoor processing

1009-6825(2017)11-0202-03

2017-02-08★:河南省高等學校重點科研項目計劃(17B570003)

范天雨(1992- )，男，在讀碩士

王 博(1987- )，男，博士，講師

TU198

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