李平生

摘 要：無人機(jī)技術(shù)的日益成熟，使得無人機(jī)在地圖測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘查等民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)在飛行過程中，利用機(jī)載小型攝像機(jī)航拍目標(biāo)區(qū)域的圖像、視頻，然后將這些數(shù)據(jù)信息傳輸回控制中心，方便管理人員動(dòng)態(tài)化的了解目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際情況，從而為下一步開展相關(guān)工作提供了必要的參考。在這一過程中，如何提高無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的效率與質(zhì)量，成為決定無人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用效果的重要因素。文章著重介紹了包括三維視圖技術(shù)、相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)、空中三角測(cè)量在內(nèi)的幾種無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并簡(jiǎn)單列舉了無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在民用領(lǐng)域的幾種應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；測(cè)繪數(shù)據(jù)處理；三維視圖；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0147-02

Abstract： With the increasing maturity of UAV technology， UAV has been widely used in mapping， disaster monitoring， geological exploration and other civil fields. During the flight of the UAV， the images and videos of the target area are captured by the onboard small camera， and then these data are transmitted back to the control center， so as to lead the managers to know the actual situation of the target area dynamically and provide the necessary reference for pushing forward related work. In this process， how to improve the efficiency and quality of UAV surveying and mapping data processing has become an important factor to determine the effectiveness of UAV application in the surveying and mapping industry. This paper mainly introduces several data processing technologies of UAV surveying and mapping， including 3D view technology， camera calibration technology and aerial triangulation technology， and simply enumerates several applications of UAV mapping technology in civil field.

Keywords： unmanned aerial vehicle； surveying and mapping data processing； 3D view； application

1 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的介紹

在無人機(jī)上搭載小型高精度的攝像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)拍攝，同時(shí)將拍攝到的影像資料及時(shí)傳輸給地面控制中心，技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)設(shè)備完成對(duì)這些影像資料的分析、處理，為開展各項(xiàng)工作提供指導(dǎo)和參考。無人機(jī)測(cè)繪是無人機(jī)在民用領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用，近年來無人機(jī)技術(shù)日益成熟，無人機(jī)的制作成本也不斷降低，這些條件都為無人機(jī)在測(cè)繪領(lǐng)域的廣泛使用提供了支持。在無人機(jī)測(cè)繪中，測(cè)繪精度是衡量無人機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果的重要指標(biāo)，通過探究無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的篩選、整合與利用，從而更好的發(fā)揮無人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

（1）相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)。無人機(jī)通常搭載小型的非量測(cè)相機(jī)，這種相機(jī)不僅分辨率較高，且能夠在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行拍攝，是無人機(jī)獲取測(cè)繪信息的主要設(shè)備。但是這種非量測(cè)相機(jī)也具有一些缺點(diǎn)，例如相機(jī)的主距和主點(diǎn)未知，拍攝過程中可能會(huì)出現(xiàn)不對(duì)焦的問題，造成圖像畸變。為了獲取精確度更高的測(cè)繪數(shù)據(jù)，需要采用相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)，基本流程為：首先，選取就近的一處目標(biāo)，先用數(shù)碼相機(jī)拍攝目標(biāo)。然后讓無人機(jī)在高速飛行狀態(tài)下拍攝同一目標(biāo)。此時(shí)無人機(jī)拍攝所得的照片會(huì)存在一定程度的畸變。然后利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)兩組照片進(jìn)行校驗(yàn)。以數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片為基準(zhǔn)，不斷調(diào)整非量測(cè)相機(jī)的主距和主點(diǎn)位置，直到無人機(jī)拍攝的照片與數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片完全重合。在相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)中，除了自檢法外，還可以使用試驗(yàn)場(chǎng)校驗(yàn)、基于多像滅點(diǎn)的校驗(yàn)方法，都可以取得類似的效果。（2）數(shù)字正射影像技術(shù)（DOM）。通過對(duì)航空相片的數(shù)字微分糾正與鑲嵌，并根據(jù)特定的圖幅范圍對(duì)進(jìn)行裁剪而形成的數(shù)字正射影像集，其不僅具有地圖幾何精度，同時(shí)也具有一定的影像特征。無人機(jī)航空拍攝產(chǎn)生DOM的過程，主要有DEM數(shù)據(jù)處理、影像糾正處理、影像勻光勻色處理等，而DEM處理的質(zhì)量直接影響著DOM的精度。而DOM的產(chǎn)生過程，是人工工作量相對(duì)較大的環(huán)節(jié)，故鑲嵌線需要在沿著自然地物的同時(shí)，最大程度上避開人工建筑，以保證DOM的接邊精度滿足實(shí)際要求。（3）DEM生產(chǎn)。對(duì)于一些地理環(huán)境比較復(fù)雜的測(cè)繪目標(biāo)，需要借助于無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)構(gòu)建DEM（數(shù)字高程模型），以方便技術(shù)人員更加詳細(xì)的掌握測(cè)繪目標(biāo)的各種情況。DEM作為一種對(duì)實(shí)體物體的數(shù)字化模擬，不僅能夠體現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)情況的具體細(xì)節(jié)，例如道路、樹木和建筑等，而且可以根據(jù)工作需要，對(duì)這些虛擬模型進(jìn)行隨意的修改。雖然無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度能夠滿足工作需要，但是對(duì)于一些重疊、遮擋的情況，仍然需要技術(shù)人員運(yùn)用DEM技術(shù)，對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)和虛擬模型進(jìn)行人工編輯，這樣就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正無人機(jī)航拍影像資料的缺陷。此外，將DEM與BIM相結(jié)合，還能夠利用電腦軟件生成測(cè)繪區(qū)域的三維模型，并且利用無人機(jī)高分辨力的測(cè)繪數(shù)據(jù)，還原測(cè)繪目標(biāo)的細(xì)節(jié)，這也為提高無人機(jī)測(cè)繪的實(shí)用價(jià)值起到了支持。（4）PPK技術(shù)和INS技術(shù)。一般情況下，無人機(jī)的重量均比較輕，故其飛行姿態(tài)具有一定的不穩(wěn)定性，對(duì)影像處理的成果精度存在一定影響。所以，必須對(duì)無人機(jī)飛行過程中，拍攝每一張相片的姿態(tài)與位置進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。PPK技術(shù)即動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，是一種借助載波相位進(jìn)行差分的GPS定位技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，PPK技術(shù)不僅對(duì)通視條件、季節(jié)、氣候以及能見度等外界環(huán)境條件的要求比較小，而且作業(yè)半徑比較大，能夠達(dá)到30千米。而INS技術(shù)即慣性參考系統(tǒng)，其屬于一種自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，既不向外界輻射能量，同時(shí)也不依靠外部信息。通過PPK技術(shù)和INS技術(shù)，能夠獲取具有較高精度的位置信息以及姿態(tài)信息，可以被應(yīng)用在空中的三角測(cè)量。（5）DLG生產(chǎn)。數(shù)字線劃圖（DLG），是與現(xiàn)有線劃基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，且保存了各要素的空間關(guān)系信息和相關(guān)屬性信息。無人機(jī)航空攝影測(cè)量生產(chǎn)DLG主要過程包括在空三加密基礎(chǔ)上恢復(fù)立體像對(duì)、立體采集、外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)編輯成圖。DLG生產(chǎn)周期在數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)中最長，其立體采集需要專業(yè)技術(shù)人員佩戴3D眼鏡通過專業(yè)立體電腦采集。目前無人機(jī)測(cè)繪中，DLG的應(yīng)用還具有一定的局限性，這主要是因?yàn)镈LG生成的圖形會(huì)受到地圖要素的影響，產(chǎn)生波動(dòng)變化。如果無人機(jī)多次測(cè)繪獲取的地圖要素存在較大誤差，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)字線劃圖中的坐標(biāo)發(fā)生改變，也就失去了參考價(jià)值。因此，下一步的技術(shù)發(fā)展方向，就是要提高無人機(jī)測(cè)繪精度，盡可能的消除干擾影響，將DLG的誤差控制在一定范圍之內(nèi)，提高其使用價(jià)值。（6）空中三角測(cè)量。在無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理中，空中三角測(cè)量對(duì)最終測(cè)繪結(jié)果的精度有直接影響?？罩腥菧y(cè)量的內(nèi)容包括像點(diǎn)的匹配、平差的計(jì)算和電測(cè)的控制等內(nèi)容。其中，像點(diǎn)匹配可以由計(jì)算機(jī)來完成，技術(shù)人員可以事先在計(jì)算機(jī)上設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)，然后將無人機(jī)測(cè)繪獲得的像點(diǎn)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，自動(dòng)完成像點(diǎn)匹配。由于無人機(jī)在飛行過程中會(huì)不斷調(diào)整自己的飛行姿勢(shì)，因此拍攝角度也會(huì)發(fā)生變化，測(cè)繪數(shù)據(jù)中可能會(huì)出現(xiàn)一些誤差。在進(jìn)行測(cè)繪數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以引用迭代算法和像點(diǎn)匹配算法，以達(dá)到控制目標(biāo)物體平面位置誤差和高層誤差的目的（如表1所示）。

在無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理中，為了避免無關(guān)因素的干擾，還可以對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密。可以使用DATMatriX軟件，遵循空中三角測(cè)量規(guī)范規(guī)定，以提高測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的精度和效率。完成測(cè)繪數(shù)據(jù)處理后，可以繼續(xù)使用DATMatriX軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行。

3 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用

（1）礦山測(cè)繪。某地新發(fā)現(xiàn)一座礦山，為確保礦山開采安全，需要進(jìn)行無人機(jī)測(cè)繪。具體測(cè)繪步驟如下：首先，進(jìn)行無人機(jī)航線設(shè)計(jì)，通過航拍要獲取礦山的地形地勢(shì)、測(cè)區(qū)總面積、周圍交通等數(shù)據(jù)信息。根據(jù)礦山測(cè)繪需要，確定無人機(jī)飛行的具體參數(shù)，包括飛行高度、分辨率等。其次，做好地面控制工作，提前確定好若干個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，方便無人機(jī)搭載的高精度數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在完成第一次航拍后，地面控制人員可以對(duì)無人機(jī)反饋的拍攝信息進(jìn)行檢查。如果測(cè)繪數(shù)據(jù)達(dá)不到使用要求，需要調(diào)整無人機(jī)的拍攝角度、飛行高度，重新進(jìn)行拍攝，直到獲取足夠多的測(cè)繪數(shù)據(jù)。最后，將無人機(jī)收集到的測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析，得出礦山的具體信息，包括地勢(shì)特點(diǎn)、交通情況、植被覆蓋情況等，為下一步的礦山開采工作提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。（2）國土測(cè)繪。國土測(cè)繪是國土資源管理中的重要技術(shù)，對(duì)提高土地資源利用效率、打擊違規(guī)占用土地行為起到了積極作用。由于土地資源的使用性質(zhì)一直處于動(dòng)態(tài)變化過程中，傳統(tǒng)的國土測(cè)繪手段由于效率較低，測(cè)繪結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的差異，給國土資源管理工作的開展增加了難度。而利用無人機(jī)進(jìn)行國土測(cè)繪，則具有效率高、動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)，可以快速完成大面積國土資源的拍攝工作。此外，無人機(jī)搭載高清攝像機(jī)，獲取的影像資料的分辨率較高，完全能夠滿足國土測(cè)繪的要求。無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)全天候的飛行監(jiān)控，對(duì)實(shí)現(xiàn)國土資源的動(dòng)態(tài)化管理也提供了幫助。（3）公路邊坡崩滑測(cè)繪。某山區(qū)公路在一次強(qiáng)降雨后出現(xiàn)崩滑，由于公路一側(cè)為山體，另一側(cè)為深溝，現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要使用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪，為后期山區(qū)公路的修復(fù)提供參考數(shù)據(jù)。具體的測(cè)繪流程為：第一，檢驗(yàn)無人機(jī)測(cè)繪精度，利用GPS和PPK測(cè)量方法，在實(shí)際地形中標(biāo)記出20個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并獲取這些點(diǎn)的精確坐標(biāo)。然后利用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)量。將無人機(jī)測(cè)量的坐標(biāo)值與GPS中的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如果誤差在±3cm以內(nèi)，則說明無人機(jī)測(cè)繪的精度符合標(biāo)準(zhǔn)；第二，進(jìn)行外業(yè)航拍。小型無人機(jī)搭載高清數(shù)碼相機(jī)，從多角度對(duì)山區(qū)公路及其周邊地形進(jìn)行拍攝。將測(cè)繪數(shù)據(jù)反饋到地面控制中心，進(jìn)行測(cè)繪影像處理。發(fā)現(xiàn)初始測(cè)繪影像有畸變和失真問題。技術(shù)人員對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，獲得準(zhǔn)確度較高、清晰度較好的空間信息。第三，利用地形自動(dòng)提取工具，獲取測(cè)區(qū)的DSM。同時(shí)運(yùn)用GIS軟件生產(chǎn)測(cè)區(qū)三維模型，更加直觀的呈現(xiàn)出山區(qū)公路的地理情況，為下一步公路重建提供了參考。

4 結(jié)束語

利用無人機(jī)代替人工完成測(cè)繪工作，具有效率快、精度高、全天候的優(yōu)點(diǎn)。但是無人機(jī)測(cè)繪所得數(shù)據(jù)中，可能會(huì)包含一些失真的、畸變的或不完整的數(shù)據(jù)，需要利用專門的測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。這樣一來，才能為人們制定方案計(jì)劃和開展實(shí)際工作提供必要的參考，充分發(fā)揮無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、國土測(cè)繪等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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