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        無人機航測在高速公路橫斷面測量中的應(yīng)用

        2021-12-09 15:23:31連浩東
        運輸經(jīng)理世界 2021年9期
        關(guān)鍵詞:橫斷面測區(qū)航拍

        連浩東

        (中繪云圖信息科技有限公司,福建福州361000)

        0 引言

        無人機具有飛行速度快、機動靈活的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的提升,無人機可以攜帶比較大的載荷,完成復(fù)雜的航測工作。在高速公路橫斷面測量中,由于自然環(huán)境、測量成本、技術(shù)條件的限制,使用全站儀等設(shè)備進行測量已經(jīng)不能滿足當前對效率和精度的要求,所以需要使用無人機航測,提升高速公路橫斷面測量的整體效率和質(zhì)量。

        1 無人機平臺概述

        低空攝影平臺能滿足快速獲取高精度穩(wěn)定數(shù)據(jù)的需要。平臺的穩(wěn)定性影響效果,并影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。無人機平臺的靈活性和敏感性更強,尤其在低空,能在相對復(fù)雜的環(huán)境中進行測量工作。目前常見的低空無人機平臺包括固定翼無人機、多旋翼無人機、復(fù)合式無人機等等。

        1.1 固定翼無人機

        固定翼無人機和傳統(tǒng)的飛機構(gòu)型相似,是最早出現(xiàn)和研發(fā)的,最簡單的無人機平臺,在民用無人機領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。固定翼無人機可以使用彈射架發(fā)射、手拋起飛、滑跑起飛等起飛方式,巡航時間在45min~3h。有些固定翼無人機自帶拍攝裝置,也可以根據(jù)需要進行改造,改裝成專用的測量裝置,滿足測量工作的需求。

        1.2 多旋翼無人機

        多旋翼無人機使用多個旋翼為無人機提供動力和調(diào)整無人機的姿態(tài),調(diào)整方式主要為調(diào)整旋翼的轉(zhuǎn)速,以及根據(jù)需要調(diào)整旋翼角度。多旋翼無人機由于有多個旋翼提供升力,所以槳葉可以設(shè)計得更小。和傳統(tǒng)的單旋翼無人機相比,取消尾槳讓多旋翼無人機的結(jié)構(gòu)更加簡單,而且使用對稱式布局使節(jié)能性更高,所以多旋翼無人機的應(yīng)用更加廣泛。多旋翼無人機被大量使用的關(guān)鍵因素在于,近年來算法技術(shù)的快速發(fā)展,可以使用多種算法滿足多旋翼無人機的姿態(tài)控制需求,自主控制也得到了充分優(yōu)化。目前多旋翼無人機可以靈活地完成反轉(zhuǎn)、避障、目標識別和著陸。在飛行中,可以根據(jù)周圍氣流狀況調(diào)整姿態(tài),所以控制的穩(wěn)定性很強。另一方面,多旋翼無人機還具有非常強的定制性,可以進行定制,以滿足各種環(huán)境下的航拍需求。

        1.3 復(fù)合式無人機

        復(fù)合式無人機融合了上述兩種無人機的結(jié)構(gòu),使其具備更強的巡航功能,也能滿足起降、懸停等需要,具有靈活性和航程遠的優(yōu)勢。目前復(fù)合式無人機普遍采用固定翼無人機和四旋翼無人機復(fù)合的布局方式,能控制無人機的垂直起降,并且兼顧速度快、航程長、距離遠的優(yōu)勢。

        2 高速公路橫斷面測量對無人機航測的需求分析

        高速公路橫斷面測量工作可以使用全站儀、GNSS等數(shù)字化測圖技術(shù)。但是如果測量區(qū)域的面積比較大,地形比較復(fù)雜,全站儀等技術(shù)存在靈活性不足,測量效率低的問題[1]。在測量地形時,測量人員需要對整個測區(qū)展開測量,如果地形復(fù)雜,很容易遺漏重要的碎部點。全站儀還會受到通視條件的影響,需要頻繁更換測站,導(dǎo)致測量精度不能滿足應(yīng)用要求。另外,使用傳統(tǒng)測量技術(shù)將會消耗大量的人工成本,也需要投入大量的物力,增加管理的壓力,測量的整體性和時效性也很難滿足要求。所以,需要一種高機動性、低成本、高時效性的測量技術(shù),滿足高速公路橫斷面測量的需求,無人機就可以較好地滿足上述需要。無人機最初在救災(zāi)搶險中發(fā)揮了巨大的作用,之后在民用市場中也發(fā)揮了巨大的作用。技術(shù)水平的提升使無人機的制造成本開始下降,消費級的無人機市場隨之開啟。在高速公路橫斷面測量中,最初只是利用無人機作為飛行平臺,搭載相機手動進行重疊影像拍攝,所獲得的圖像數(shù)據(jù),并沒有定位系統(tǒng)的支持,航拍系統(tǒng)也沒有足夠的整合性,所以拍攝的空間位置精度不夠。隨著技術(shù)的進步,無人機引入了RTK 定位系統(tǒng),相機技術(shù)也能滿足微秒級同步的需要。為了優(yōu)化使用需求,無人機專門設(shè)計了應(yīng)用可以滿足航線規(guī)劃工作的要求,可以實現(xiàn)厘米級別的導(dǎo)航定位,定位系統(tǒng)也能和成像系統(tǒng)結(jié)合,從而提升了航測的效率和精度,并降低了作業(yè)難度,有效控制了作業(yè)成本。目前無人機已經(jīng)可以使用在大比例尺的地形圖測量、不動產(chǎn)測量、房地一體化測量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中。

        3 無人機航測系統(tǒng)的基本構(gòu)成

        3.1 飛行平臺

        飛行平臺是無人機航測系統(tǒng)的主體部分,平臺包括機體、動力裝置、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航裝置、電池等等。目前,可以根據(jù)需要選擇無人機類型,靈活滿足測量工作的需要。飛行數(shù)據(jù)終端安裝在飛行器上,屬于無人機的組成部分,也屬于數(shù)據(jù)鏈路的機載部分。

        3.2 地面控制站

        在無人機測量過程中,通過地面控制站控制無人機,可以傳遞無人機的遙控數(shù)據(jù)和無人機向下傳輸?shù)膱D像,并且能顯示遙測數(shù)據(jù)。地面控制系統(tǒng)能進行任務(wù)規(guī)劃和分配,也能接收無人機發(fā)出的實時信號,具備信息處理、圖像處理的功能[2]。

        3.3 任務(wù)載荷

        任務(wù)載荷是無人機完成任務(wù)的模塊,無人機平臺的作用在于攜帶任務(wù)載荷,與任務(wù)載荷配合完成測量工作。任務(wù)載荷通常包括雷達、專業(yè)照相機、攝像機等等,目前一些機載激光定位設(shè)備也應(yīng)用在了無人機系統(tǒng)中,還可以裝載可進行氣象化學(xué)探測的傳感器。

        3.4 數(shù)據(jù)鏈路

        無人機需要和控制站保持通信,向控制站實時發(fā)送無人機的位置數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)、測量數(shù)據(jù),控制站要向無人機發(fā)出控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路的硬件包括地面數(shù)據(jù)終端和空中數(shù)據(jù)終端兩大部分,地面數(shù)據(jù)控制終端由天線構(gòu)成,能夠發(fā)出發(fā)射飛行器和接收飛行器的信號,也能以衛(wèi)星作為中繼。

        3.5 發(fā)射和回收裝置

        很多無人機都是通過彈射起飛,采用車載發(fā)射、滑跑起飛、垂直起飛等方式,可以根據(jù)當?shù)貭顩r選擇發(fā)射方式。在回收時,可以采取網(wǎng)式回收、傘降回收、滑跑著陸等方式。在航測工作開始之前,應(yīng)該根據(jù)無人機的收放方式,準備相應(yīng)的發(fā)射和回收設(shè)備,保證測量工作能順利進行。

        4 旋翼無人機航測的工作流程

        使用旋翼無人機進行航測的工作,可以發(fā)揮無人機操作方便、成本低廉的優(yōu)勢,并且在小范圍的高速公路橫斷面測量中非常靈活。在常用的RTK 模式下,進行測區(qū)的正射影像測量時,工作流程包括航測準備、航線規(guī)劃、相機參數(shù)設(shè)置、航拍作業(yè)和影像處理。

        4.1 航測準備

        航測準備工作是在到達測區(qū)開展航測之前的前期準備工作,需要準備飛行器、測區(qū)KML 文件,并布置像控點。在飛行器準備過程中,需要配備足夠數(shù)量的電池,滿足測量工作的能源需求。正常每塊電池可以維持正常飛行18~24min,充電50min,測區(qū)的狀況、面積、形狀、飛行器的飛行高度、測量過程中的重疊率、測量中的環(huán)境溫度也會影響耗電速度。對于測區(qū)要提前進行準備,可以使用相關(guān)地圖軟件做測區(qū)的地標KML 文件,導(dǎo)入遙控器中。需要在測量工作開始之前確定像控點,提高航測成圖的精度,通過合理布置像控點,滿足對坐標控制的需求。

        4.2 航線規(guī)劃

        合理的航線規(guī)劃能提升測量工作的效率。在該項工作中,需要連接周圍移動網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置合適的飛行行為、確定RTK 定位模式。針對測量模式,要設(shè)計合適的飛行高度和速度,并且根據(jù)當?shù)氐那闆r設(shè)置影像重疊的情況。在航線規(guī)劃的工作中,首先需要保證飛行器遙控器和網(wǎng)絡(luò)保持連接,可以在遙控器上安裝SIM 卡,連接4G/5G 網(wǎng)絡(luò)。之后,使用RTK 賬號登錄服務(wù)器,保證無人機獲得RTK 固定解。如果測區(qū)只進行正射數(shù)據(jù)影像采集,就可以使用2D 的航線規(guī)劃方式,節(jié)省航拍時間;如果進行3D 影像采集,需要針對當?shù)氐牡匦翁厥庖?guī)劃航線。航線必須保持安全飛行高度,比如要避免與測區(qū)內(nèi)的最高地物碰撞,避讓電線等等,所以要保證飛行高度高于當?shù)刈罡叩匚铩?/p>

        4.3 相機參數(shù)設(shè)置

        相機參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置照片比例、白平衡、云臺角度、光圈、ISO、快門、補光等等,合理的相機參數(shù)能獲得更為清晰的航拍圖片,可以按照默認設(shè)定設(shè)置,但是也要考慮當?shù)氐奶鞖鉅顩r、光照、環(huán)境顏色,以及根據(jù)無人機的飛行高度進行調(diào)整。在拍攝正射影像時,可以選擇-90o的云臺角度,而為了提升建圖的精度效果,可以關(guān)閉相機的修正畸變功能。

        4.4 航拍作業(yè)

        航拍作業(yè)是航拍工作的實施階段,目前多數(shù)無人機都能自動完成航拍工作。但是在航拍過程中仍需要有人員監(jiān)視整個航拍過程,如果發(fā)現(xiàn)航拍中出現(xiàn)錯誤,就需要及時進行修正。

        4.5 影像處理

        在完成航測任務(wù)后,獲得的影像并不能直接使用,而是需要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中繼續(xù)處理。照片中包含了相機的參數(shù)信息,可以在記事本中獲得參數(shù),了解拍攝當時相機的狀態(tài);POS 信息是每張相片拍攝時所對應(yīng)的空間位置信息,需要保證POS 信息格式規(guī)范,和照片的名稱一致;在影像上標記控制點之后,可以進行初次空三解算,獲得控制點的位置;然后利用多個包含控制點的照片進行控制點的精確標記;在所有控制點標記完成后,再進行空三解算,修正過去的數(shù)值;最后進行影像的拼接工作,建立坐標系,生成測區(qū)的正射影像。

        5 結(jié)語

        無人機航測相比傳統(tǒng)的工作方式具有比較大的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中,應(yīng)該做好航線的規(guī)劃工作,合理設(shè)置攝像系統(tǒng)的參數(shù)。在航測工作開始之前必須做好準備,充分發(fā)揮無人機航測在高速公路橫斷面測量中的作用。

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