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        小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

        2019-02-09 04:50:43李文鵬楊益軍李天蘭
        世界有色金屬 2019年5期
        關(guān)鍵詞:矢量化航拍繪制

        李文鵬,楊益軍,李天蘭

        (昆明理工金圖科技有限公司,云南 昆明 650031)

        傳統(tǒng)的地形圖測(cè)繪方式大都采用全野外采集方式,例如全站儀和GPS-RTK等,存在的弊端也很明顯,例如成圖周期長(zhǎng),人力成本高,采集數(shù)據(jù)效率低。隨著科技的不斷發(fā)展,無(wú)人機(jī)的技術(shù)逐步成熟,利用航空攝影測(cè)量成為了我國(guó)較大范圍地理信息主要的采集方法之一,全面的優(yōu)化了傳統(tǒng)測(cè)繪方法。但是,傳統(tǒng)的航空測(cè)繪方法,受限于種種原因,無(wú)法滿足小范圍大比例尺地形圖測(cè)繪所需要的條件[1]。本文就對(duì)小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

        1 小型無(wú)人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r

        “無(wú)人機(jī)”顧名思義就是無(wú)人駕駛的小型飛機(jī),英文簡(jiǎn)寫(xiě)為“UAV”,具有的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)明顯,主要是通過(guò)自帶的程序控制設(shè)備和無(wú)線電傳輸信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制,無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)備簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,能去到很多人們無(wú)法到達(dá)的地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)[2]。同時(shí),它不需要人對(duì)它進(jìn)行駕駛,降低了很多的風(fēng)險(xiǎn)。

        因此,它不但可以完成有人駕駛飛機(jī)的任務(wù),同時(shí)還可以完成有人駕駛飛機(jī)不適合完成的任務(wù)。在面對(duì)自然災(zāi)害和突發(fā)事件時(shí),無(wú)人機(jī)能起到一個(gè)很好的應(yīng)急和預(yù)警作用。隨著技術(shù)的不斷改良,小型無(wú)人機(jī)運(yùn)用的范圍越來(lái)越廣,成本也會(huì)越來(lái)越低,市場(chǎng)需求也就隨之變得很大[3]。相信在未來(lái),人工智能技術(shù)達(dá)到成熟,無(wú)人機(jī)的技術(shù)也就越來(lái)越成熟,各方面的性能也會(huì)趨于完美,不僅僅局限于航拍技術(shù),在其他的各個(gè)方面也會(huì)有很好發(fā)展方向,例如物流、通信、防災(zāi)等等,完完全全可以在方方面面影響讓未來(lái)人們的生活。就目前而言,航拍技術(shù)需求最為急切。

        2 小型無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        小型無(wú)人機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)的飛行平臺(tái)、非測(cè)量型照相機(jī)、保持平衡的穩(wěn)定平臺(tái)、地面控制站、傳輸信號(hào)的遠(yuǎn)程通信裝置和對(duì)地型進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理軟件組成。無(wú)人機(jī)由于體積小,無(wú)人駕駛,比傳統(tǒng)的航拍測(cè)量更加方便,快捷,它對(duì)飛行場(chǎng)地的要求低,在各種惡劣的環(huán)境條件下都能夠快速安全的起飛,并且,他不需要申請(qǐng)航空許可,體積小,便于人們隨身攜帶。

        無(wú)人機(jī)的操作原理和系統(tǒng)都很簡(jiǎn)單,所以,無(wú)人機(jī)在制作成本上,以及系統(tǒng)維護(hù)中都非常低廉,經(jīng)濟(jì)實(shí)在。操作靈敏,因?yàn)轶w積小巧,所以在作業(yè)方面也是非常靈活,圖像成像成本價(jià)格低廉,所以,在整體上利用小型無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪地圖所需要的成本比傳統(tǒng)航拍更加經(jīng)濟(jì)實(shí)在。

        人為駕駛的飛機(jī)飛行高度都普遍偏高。而小型無(wú)人機(jī)的飛行高度就比較低,所以在航拍測(cè)量的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)航拍測(cè)量呃呃數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),獲得更加精細(xì)的大比例尺影像,所以小型無(wú)人機(jī)在繪制小范圍大比例尺地形圖中更具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí),小型無(wú)人機(jī)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)能力也是非常強(qiáng)的,按照實(shí)際需要,可獲得高度重疊的地形圖影像,增強(qiáng)獲得高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)處理能力。

        3 測(cè)區(qū)的大概情況

        對(duì)于很多測(cè)量人員很難進(jìn)入的地區(qū),利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍測(cè)量數(shù)據(jù)就顯得十分必要,例如上海浦東地區(qū)的大治河入??谀蟼?cè)的潮間灘和四川盆地高山地區(qū),測(cè)量人員及難進(jìn)入的地區(qū),利用無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù),既降低了繪制成本,又大大節(jié)約人力資源。

        4 無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)采集及處理

        4.1 布測(cè)控制點(diǎn)

        控制點(diǎn)的布置及數(shù)量非常重要,因?yàn)樾⌒蜔o(wú)人機(jī)在高空受高度、氣流以及信號(hào)強(qiáng)弱等因素的影響,飛行狀態(tài)并不是十分穩(wěn)定,因此,小型無(wú)人機(jī)用于記錄的信號(hào)的POS信息不具備繪制大比例尺測(cè)圖的條件。所以要根據(jù)具體的地形以及繪制的難易程度和路的布測(cè)控制點(diǎn),例如合理安排控制的數(shù)量以及控制點(diǎn)的地點(diǎn)。以保證其能夠通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量,合理利用GPS網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行測(cè)量,以保證所有控制點(diǎn)都能夠精準(zhǔn)覆蓋,且精度均小于2cm,以保證繪圖的準(zhǔn)確度。

        4.2 影像數(shù)據(jù)的采集與整理

        在繪圖過(guò)程中,圖像數(shù)據(jù)的采集是繪圖的關(guān)鍵步驟,在進(jìn)行采集數(shù)據(jù)之前,必要的準(zhǔn)備工作就顯得十分重要,決定后面采集的數(shù)據(jù)是否能用。采集數(shù)據(jù)之前的第一步就是將DJIGD軟件接入無(wú)人機(jī),對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行前的指南針校準(zhǔn),其次就是檢查SD卡是否可用,還要檢查無(wú)線電傳輸信號(hào)是否能準(zhǔn)確接收,然后采用Altizuree軟件進(jìn)行此次飛行的航線路徑設(shè)定,根據(jù)具體的測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行飛行區(qū)域劃分。例如測(cè)量區(qū)域的特點(diǎn)是東西方向?qū)挘媳狈较蛘?,可以將測(cè)區(qū)按東西方向化為五個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)飛行架次。同時(shí),在飛行航拍采集數(shù)據(jù)時(shí)要合理設(shè)計(jì)圖像重疊度和飛行高度。最佳的圖像重疊度就是采用設(shè)定航線重疊度85%和旁像重疊度為80%,高度要根據(jù)具體的地形進(jìn)行設(shè)定。最后在按照設(shè)定好的路線起飛無(wú)人機(jī),通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控,并在遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)查看利用無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)的具體情況。

        4.3 進(jìn)行處理數(shù)據(jù)

        飛行結(jié)束后要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和處理,首先要導(dǎo)出拍攝的照片,并且需要把拍攝有像控點(diǎn)的照片挑選出來(lái),再在每組像控點(diǎn)照片中選出六張照片進(jìn)行備用,而像控點(diǎn)盡可能的留在照片中間,以避免照片畸形帶來(lái)的影響,然后利用攝影測(cè)量自動(dòng)建模軟件對(duì)挑選出來(lái)的照片進(jìn)行處理,為保證最終的得到數(shù)據(jù)精確,就要利用相片的曝光點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行精確的處理,刪除多余不要的影像。最后將像控點(diǎn)的數(shù)據(jù)軟件中進(jìn)行刺點(diǎn)處理,刺點(diǎn)位置盡量保證在照片中間取得。獲得精確的數(shù)據(jù)之后要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,以便得到最終結(jié)果,而數(shù)據(jù)的處理方式主要有空三解法、點(diǎn)云加密,每種計(jì)算過(guò)程都需要通過(guò)專業(yè)的攝影測(cè)量處理軟件自動(dòng)完成,在軟件上直接得出DSM與DOM數(shù)據(jù)結(jié)果,以供人們能夠更加直接的觀看數(shù)據(jù)結(jié)果,利用軟件進(jìn)行處理數(shù)據(jù)處理,在一定的程度上減輕了人工計(jì)算的難度以及人力制作成本。

        4.4 繪制地圖

        將上述計(jì)算得出的DOM數(shù)據(jù)直接輸入ArcGIS軟件中,將房屋、橋梁、道路、懸崖、山坡、樹(shù)林、水泥、草坪等等具體的物體圖層分別建立出來(lái),并且依據(jù)DOM數(shù)據(jù)的分層矢量化處理。并且要把在野外采集的建筑物以及山丘草坪的具體特征點(diǎn)繪制到ArcGIS軟件中,將其數(shù)據(jù)特征與攝影測(cè)量矢量化后得到的特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,依照對(duì)比結(jié)果對(duì)DOM矢量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比糾正圖形,以此將矢量化后的結(jié)果進(jìn)一步精確,得到更加準(zhǔn)確的成果圖。為了獲取測(cè)量地區(qū)有關(guān)地形地貌的高程數(shù)據(jù)特征所采用的方法是利用DSM軟件以及在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)所收集有關(guān)地形地貌的高程數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)也輸入ArcGIS成圖軟件中,將地形地貌數(shù)據(jù)特征繪入地圖中,并將最終是矢量化結(jié)果轉(zhuǎn)換到CAD中,在依照最終成圖要求對(duì)地圖進(jìn)行修飾整理,最后將成果保存為DWG格式。

        5 最終成果分析

        將最終結(jié)果進(jìn)行最終的精確度分析,主要就是將影像成像點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的對(duì)比分析,包括高程以及平面,并將數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)為評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)DSM處理后得出的最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,得到實(shí)驗(yàn)最終的精確數(shù)值,按照國(guó)際繪制地圖的精確度誤差范圍考核繪制的地圖是否達(dá)標(biāo)。而根據(jù)國(guó)家頒發(fā)的《1:5001:10001:2000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》中要求1:1000比例尺平面和高程中誤差分別為0.6m和0.4m,1:500比例尺平面和高程中誤差分別為0.4m和0.4m,以此標(biāo)準(zhǔn)考核小型無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航拍測(cè)量繪制大比例尺地圖中是否能夠準(zhǔn)確完成任務(wù)。

        由測(cè)量數(shù)據(jù)顯明,小型無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航拍、測(cè)量、繪制小范圍大比例地圖時(shí)非常精確,而在繪制大范圍小比例地圖時(shí)就沒(méi)有達(dá)到很精確,由此可以看到,小型無(wú)人機(jī)用在繪制大比例地圖時(shí)非常方便有效。

        6 弊端分析

        經(jīng)過(guò)多次測(cè)量對(duì)比分析可知,小型無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航拍測(cè)量時(shí),會(huì)受到很多因素的影響,例如飛行的高度,高空中的氣流,航線的設(shè)定,照片重疊度,天氣以及高空的溫度等等,都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的航拍測(cè)量造成影響,因此,在使用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍測(cè)量時(shí),除了要仔細(xì)檢查無(wú)人機(jī)自身的系統(tǒng)和測(cè)量軟件,還要充分考慮到測(cè)量環(huán)境、天氣對(duì)無(wú)人機(jī)的影響。

        7 結(jié)語(yǔ)

        小型無(wú)人機(jī)的誕生,是社會(huì)進(jìn)步的象征,是科技研發(fā)的成果。我們享受著科技帶來(lái)的便利,同時(shí)也利用科技的成果改變我們的生活。利用無(wú)人機(jī)航拍測(cè)量,將地圖更加精確地繪制出來(lái),為人們的生活帶來(lái)便利,也為科技的研發(fā)提供途徑,將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改良,實(shí)現(xiàn)以新技術(shù)為依托,并且在保證測(cè)量精度的情況下,使繪制地圖變得更加高效,更加快捷,并在很大的程度下改進(jìn)現(xiàn)有的作業(yè)技術(shù)。

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