韓 興,孫文永
(1.中國建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100068;2.中建八局檢測科技有限公司,北京 102488)
近幾年,無人機(jī)技術(shù)得到了長足的發(fā)展,而無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢也逐漸凸顯。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備結(jié)構(gòu)簡單,并且使用成本更低的優(yōu)勢。不僅能夠完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的各項(xiàng)任務(wù),同時(shí)也能夠針對(duì)有人飛機(jī)無法到達(dá)的區(qū)域完成各項(xiàng)工作任務(wù),例如危險(xiǎn)區(qū)域或遙感監(jiān)測任務(wù)等[1]。在利用無人機(jī)對(duì)被監(jiān)測或被測量物體進(jìn)行航拍時(shí),其影像的清晰度和比例尺等均能夠達(dá)到良好的預(yù)期效果。當(dāng)前該系統(tǒng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到林業(yè)、農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)調(diào)查等領(lǐng)域當(dāng)中,并逐漸成為國家測繪部門以及相關(guān)機(jī)構(gòu)重點(diǎn)推廣的新技術(shù)。隨著當(dāng)前現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步,全球定位系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)等均得到良好發(fā)展,而無人機(jī)的民用化水平也逐漸提升,所涉及的領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到三維建模、林業(yè)、災(zāi)害評(píng)估等[2]。當(dāng)前,全球無人機(jī)種類眾多,并且結(jié)構(gòu)相差較大,根據(jù)不同的測量任務(wù)可對(duì)無人機(jī)的類型進(jìn)行合理選擇,以進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。因此,基于當(dāng)前無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢,本文以工程測量為例,針對(duì)其在工程測量當(dāng)中的應(yīng)用開展相關(guān)研究。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)工程的現(xiàn)場測量,本次研究中引進(jìn)無人機(jī)低空攝像測量系統(tǒng),參照系統(tǒng)的作業(yè)流程,進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的平差研究。其中系統(tǒng)測量作業(yè)流程如下圖1所示。
圖1 無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)作業(yè)流程
在掌握系統(tǒng)作業(yè)流程的基礎(chǔ)上,采用在野外布控測量點(diǎn)的方式,進(jìn)行工程測量區(qū)域的三維布網(wǎng)。在完成相關(guān)作業(yè)行為后,進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平的校正與約束,在此過程中,選擇單航帶連續(xù)法進(jìn)行重疊區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)系的構(gòu)建,將構(gòu)建的坐標(biāo)系與校正的三維空間坐標(biāo)軸進(jìn)行疊向?qū)?。完成?duì)坐標(biāo)點(diǎn)的對(duì)象處理后,提取空間坐標(biāo)軸內(nèi)的三角元素,將定值元素作為一個(gè)定值數(shù)據(jù),按照此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)空間坐標(biāo)軸的校正[3]。并將校正后的坐標(biāo)軸與輔向坐標(biāo)軸保持相互平行,對(duì)應(yīng)模型的比例尺與原點(diǎn)坐標(biāo)保持布標(biāo),可得到一個(gè)X-Y-Z的區(qū)域網(wǎng)坐標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上,將航帶的立體攝像探頭進(jìn)行相對(duì)定向處理,進(jìn)行平差過程中坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)換。此過程如下計(jì)算公式所示。
公式(1)中:X、Y、Z分別表示為區(qū)域網(wǎng)坐標(biāo)體系;x、y、z分別表示為三維布網(wǎng)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)點(diǎn);R表示為校正范圍;f表示為坐標(biāo)點(diǎn)連續(xù)性,按照上述計(jì)算公式,實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換,參照轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)點(diǎn),完成對(duì)工程測量區(qū)域的平差處理。
按照上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)工程區(qū)域的測量的區(qū)域網(wǎng)平差后,為了確保測量結(jié)果的精度,需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其誤差的補(bǔ)償。傳感器是測量系統(tǒng)當(dāng)中重要的組成部分,在一定程度上決定著測量得到的地面影像圖像的清晰度[4]。針對(duì)無人機(jī)上相機(jī)的誤差校驗(yàn),可采用控制場檢驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)。在校驗(yàn)的過程中,按照公式(2)所示的校驗(yàn)?zāi)J酵瓿尚r?yàn)。
公式(2)中,a、b表示為像方坐標(biāo);A、B、C表示為物方坐標(biāo);l和i表示為線性系數(shù)。根據(jù)上述公式(2),將其應(yīng)用到測量系統(tǒng)的相機(jī)校驗(yàn)當(dāng)中,提高相機(jī)的精度。除此之外,針對(duì)測量系統(tǒng)獲得的工程測量圖像,通過內(nèi)方位元素方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)其相機(jī)位置的校驗(yàn)。圖2為內(nèi)方位元素結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 內(nèi)方位元素結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 中I、II和III表示為三個(gè)在內(nèi)方位元素結(jié)構(gòu)當(dāng)中的點(diǎn);S表示為攝影中心;f表示為攝影中心S到圖像的垂直距離。通過內(nèi)方位元素來決定攝影中心點(diǎn),從而得到圖像的相對(duì)關(guān)系,并通過相對(duì)位置關(guān)系,對(duì)測量過程中相機(jī)的拍攝位置光束形狀進(jìn)行確定[5]。在上述確定相機(jī)光束形狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合光學(xué)畸變差原理從徑向畸變和偏心畸變差,對(duì)其產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,其表達(dá)式為。
公式(3)中,r表示為向徑;k表示為徑向畸變差系數(shù)。根據(jù)上述公式,完成對(duì)畸變誤差的補(bǔ)償,從而得到的最終結(jié)果即為精準(zhǔn)度較高的工程測量結(jié)果。
通過本文上述論述,針對(duì)無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行分析,為了進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)應(yīng)用后的工程測量精度是否得到提升,本文選擇以進(jìn)行工程施工的項(xiàng)目為依托,針對(duì)其工程測量任務(wù),引入上述測量系統(tǒng)對(duì)其開展測量工作。已知該工程項(xiàng)目總占地面積約為152820平方米,選擇將該測量區(qū)域內(nèi)的東西方向及測量區(qū)域東側(cè)的東北方向作為主要測量路線。選擇測量路線的左右各300m范圍作為研究區(qū)域。在測量前,首先對(duì)測量系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)確定,將地面分辨率設(shè)置為0.1m,將航線間隔設(shè)置為400m,將焦距設(shè)置為35m,將基準(zhǔn)面設(shè)置為75%。分別針對(duì)測量區(qū)域內(nèi)的平地和丘陵地兩種地形結(jié)構(gòu)的五個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測量,并將通過測量系統(tǒng)得出的結(jié)果與實(shí)地測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)地測量采用高精度工程測量儀完成。計(jì)算本文測量方法的誤差,誤差計(jì)算公式為:測量結(jié)果誤差=實(shí)地測量結(jié)果-本文測量方法測量結(jié)果。將結(jié)果繪制成如表1所示。
表1 工程測量結(jié)果誤差記錄表(單位:mm)
從表1得出的測量誤差記錄結(jié)果可以看出,平地測量誤差明顯小于丘陵地測量誤差,但表1中所有誤差值均在工程測量精度標(biāo)準(zhǔn)小于20.0mm范圍內(nèi),說明測量精度符合要求。因此,通過將本文測量方法應(yīng)用于實(shí)際進(jìn)一步證明,利用測量系統(tǒng)對(duì)工程項(xiàng)目中各測量點(diǎn)測量的精度滿足實(shí)際要求。
科技水平的不斷提升促進(jìn)了無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)在工程測量當(dāng)中的應(yīng)用水平提升,通過本文對(duì)該系統(tǒng)在工程測量當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究,進(jìn)一步分析得出,利用該系統(tǒng)能夠在確保測量精度,提高測量效率的基礎(chǔ)上,保障測量技術(shù)人員的人身安全,并實(shí)現(xiàn)對(duì)地形圖的精準(zhǔn)測繪。目前,由于該系統(tǒng)的固定成本和軟件部分的成本較高,在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的局限性問題。因此,作為現(xiàn)代測繪和未來測繪最重要的測量方式,還需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行不斷地優(yōu)化,并進(jìn)一步增加研究深度。