劉慶林

(安徽省地礦局311地質(zhì)隊，安徽 安慶 246003)

地形測繪是對測量區(qū)域的地形、地物等的相對位置在水平面上的投影和高程進(jìn)行測量，并按一定的標(biāo)記和符號，以特定的比例繪制成地形圖的過程，其成果廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)、地質(zhì)勘探、礦山開采、城市規(guī)劃、用地分析及軍事等多個領(lǐng)域。地形測繪發(fā)展初期，主要使用測繪儀等進(jìn)行人工定位測量并繪制圖件，隨著遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，地形測繪工作開始利用衛(wèi)星及機(jī)載測繪系統(tǒng)開展，自此無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)運而生并發(fā)展壯大，逐漸成為現(xiàn)階段最常見地形測繪技術(shù)[1]。利用無人機(jī)航測技術(shù)，能快速、精準(zhǔn)、高效地獲取測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，極大地提高了地形測繪的工作質(zhì)量和效率。

1 無人機(jī)航測及地理信息技術(shù)

1.1 地理信息技術(shù)

地理信息技術(shù)是集地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)于一體的空間信息系統(tǒng)。其中，地理信息系統(tǒng)是借助計算機(jī)的支持，對測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)是利用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星結(jié)合通信技術(shù)，采用距離交會原理實現(xiàn)目標(biāo)坐標(biāo)、高程的精準(zhǔn)確定的技術(shù)；遙感技術(shù)則是以航空航天設(shè)備、攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，利用其搭載的遙感器收集測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取遙感數(shù)據(jù)的技術(shù)[2]。以上技術(shù)相互配合、相輔相成，可廣泛應(yīng)用于地形測繪領(lǐng)域，減少測繪野外作業(yè)時間，降低測繪難度，提高地形測繪的效率和精度。

1.2 無人機(jī)航測技術(shù)

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)航測是航空攝影測量的一種，主要面向低空遙感領(lǐng)域，其發(fā)展得益于無人機(jī)技術(shù)及數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，航測無人機(jī)可分為固定翼無人機(jī)(見圖1)、旋翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)，通常由飛行器和遙控器(見圖2)組成，具有成本低、精度高、快速高效、靈活機(jī)動、適用范圍廣等特點。其中，固定翼無人機(jī)靠動力設(shè)備產(chǎn)生的推力經(jīng)機(jī)身固定機(jī)翼產(chǎn)生升力，作業(yè)時需要以較快的速度保持飛行姿態(tài)，其缺點是無法在空中隨時懸停，其特性導(dǎo)致作業(yè)時無人機(jī)距測繪目標(biāo)較遠(yuǎn)，獲取的遙感影像分辨率較低；旋翼無人機(jī)是由其旋翼相對機(jī)身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的升力保持飛行，三個旋翼以上的無人機(jī)稱多旋翼無人機(jī)，可在空中懸浮，近距離拍攝測繪目標(biāo)，拍攝獲取的遙感影像分辨率高，其缺點是作業(yè)時長及速度較固定翼無人機(jī)低；復(fù)合翼無人機(jī)又稱垂直起降固定翼無人機(jī)，其動力設(shè)備既包含固定翼也包含旋翼，集二者的優(yōu)點于一體，同時解決了固定翼無人機(jī)起降難的問題。無人機(jī)航測在小范圍內(nèi)測繪工作效率更具優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于地形測繪、工程建設(shè)、土地資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處理、城市數(shù)字化建設(shè)、新農(nóng)村及小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面。

圖1 固定翼無人機(jī)

圖2 多旋翼無人機(jī)

2 無人機(jī)航測技術(shù)的特點

2.1 無人機(jī)航測作業(yè)成本低

傳統(tǒng)的人工測量技術(shù)主要利用衛(wèi)星測繪，就同樣的測量區(qū)域而言，其所需人員、地形測繪費用約是無人機(jī)航測的10倍左右，工期則是無人機(jī)航測的2倍左右。而無人機(jī)航測設(shè)備一經(jīng)采購，其使用壽命較長，維護(hù)成本較低，測繪作業(yè)所需人工少、效率高，能有效地節(jié)省野外測量時間，從各方面來看，經(jīng)濟(jì)成本較人工測繪都有明顯的優(yōu)勢。由于無人機(jī)航測的作業(yè)周期短、測繪費用低，可極大地提高相關(guān)企業(yè)的核心市場競爭力，有助于企業(yè)擴(kuò)大業(yè)務(wù)量，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 無人機(jī)航測快速高效

采用無人機(jī)航測進(jìn)行地形測繪時，工作人員可按測量區(qū)域?qū)嶋H情況設(shè)定無人機(jī)飛行路線，優(yōu)化各項設(shè)置，合理控制無人機(jī)，使無人機(jī)在最優(yōu)狀態(tài)下垂直或傾斜采集測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，現(xiàn)場作業(yè)時間短，獲取影像數(shù)據(jù)高效便捷，能及時對測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和控制，快速高效地完成地形測繪任務(wù)，特別是在大比例尺的地形測繪作業(yè)中，能較好地完成質(zhì)量控制，極大地降低測繪技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，提高地形測繪的工作效率。

2.3 無人機(jī)航測機(jī)動性強(qiáng)

傳統(tǒng)測繪現(xiàn)場作業(yè)時，其高程點需人工到位測量，某些區(qū)域如地形險峻、河流湍急、濕地等區(qū)域，人工測量難以滿足測繪作業(yè)需求。這時無人機(jī)的機(jī)動性強(qiáng)、反應(yīng)迅速、全面覆蓋的優(yōu)勢就完全體現(xiàn)了出來，而且其體積小，單人即可攜帶運輸，現(xiàn)場作業(yè)操作簡單，對操作場地和周邊氣候環(huán)境等方面的要求也不高，如多旋翼無人機(jī)隨時隨地可完成起飛作業(yè)任務(wù)，并根據(jù)現(xiàn)場實際信息接收情況，對有疑慮的測繪區(qū)域及時補(bǔ)測；遇到現(xiàn)場工況確實比較差的情況，無人機(jī)也可靈活暫停作業(yè)，待現(xiàn)場工況符合作業(yè)條件后，繼續(xù)開展后續(xù)的地形測繪工作。

2.4 無人機(jī)航測精度高

對于人工測量中無法到達(dá)的區(qū)域，常規(guī)測繪作業(yè)中常見的測點間隔過大等情況，都是影響最終地形成圖精度的主要因素，無人機(jī)航測可無視絕大多數(shù)不利環(huán)境進(jìn)行測繪作業(yè)，全方位獲取測量區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)[3]。目前的無人機(jī)航測設(shè)備均配備精度極高的高清影像設(shè)備，在測繪作業(yè)中能快速清晰地獲取測量區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)字影像分辨率高，并且影像中包含了坐標(biāo)信息即地形測繪所需的重要信息，為地形成圖提供高精度的原始資料。同時無人機(jī)航測具備高協(xié)調(diào)性，可同時結(jié)合衛(wèi)星遙感、航空測繪數(shù)據(jù)，及時與地面控制系統(tǒng)形成互動，及時修正有誤差的影像及數(shù)據(jù)，極大地保證地形測繪數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量。

3 當(dāng)前無人機(jī)航測存在的不足

無人機(jī)航測技術(shù)與地理信息技術(shù)結(jié)合后獲得了快速發(fā)展，其優(yōu)點不言而喻，但同時也存在一定的不足。例如多旋翼無人機(jī)總體質(zhì)量較小，高空風(fēng)力會對無人機(jī)航測作業(yè)產(chǎn)生不利影響，造成其飛行不夠平穩(wěn)，導(dǎo)致最終獲取的影像數(shù)據(jù)的清晰度降低；另外無人機(jī)設(shè)備傳感器發(fā)展仍存在一定的缺陷，精度不夠高，因而影響了航測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；同時電子通信技術(shù)也是影響無人機(jī)航測精度的因素之一。為了提高無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，還必須科學(xué)規(guī)范地開展航測工作。

4 無人機(jī)航測技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用

4.1 像控點布設(shè)的應(yīng)用

利用無人機(jī)航測進(jìn)行地形測繪時，像控點布設(shè)尤為重要，其布設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系著測繪質(zhì)量的高低，因此需要科學(xué)合理地布設(shè)像控點。無人機(jī)航測像控點設(shè)置可按測量區(qū)域均勻布設(shè)，各像控點間應(yīng)有一定的幾何強(qiáng)度，布點應(yīng)滿足規(guī)范要求的密度，盡量選擇方便查找處理的位置，如房屋角點、斑馬線角點、地物交叉點等，當(dāng)無明顯地物或地標(biāo)時，可以人工噴漆等方式進(jìn)行標(biāo)記布點，像控點布設(shè)位置應(yīng)選擇清晰易識別、固定不移動、平整無陰影、無外物遮擋的區(qū)域。像控點布設(shè)的密度應(yīng)結(jié)合測區(qū)地形和測繪精度要求確定，對于地形地貌較為復(fù)雜的區(qū)域，需要適當(dāng)增加適量的像控點。對于像控點的坐標(biāo)及高程采集，精度需控制在5 cm以內(nèi)，通常使用較多的是RTK(Real-Time Kinematic，實時動態(tài)定位)方式，在此期間，應(yīng)保證RTK接收機(jī)與無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)接入點、端口等一致，以保證獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。在后期室內(nèi)資料處理時，可用相關(guān)軟件導(dǎo)入像控點坐標(biāo)信息，對控制點進(jìn)行刺點，對影像數(shù)據(jù)中不滿足要求的像控點進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4.2 空中三角測量的應(yīng)用

空中三角測量也稱為攝影測量加密、空三加密，其原理是利用已知的像控點坐標(biāo)，利用攝影測量解析法求解所有影響的外方位元素，要求每個模型的已知點不小于4個。目前大量使用的全自動處理的GodWork空三軟件，利用獲取的影像自動匹配航向和旁向的像點，并對影像根據(jù)外業(yè)控制點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理校準(zhǔn)，求得像片的外方位元素，再利用雙像或?qū)ο窨臻g前方交會法，獲取全部加密點的地面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在無人機(jī)航測作用時，獲取的是多個獨立的影像，其之間靠連接點來實現(xiàn)，因此除了無人機(jī)航測設(shè)備的精度、坐標(biāo)量測系統(tǒng)、現(xiàn)場作業(yè)人員的水平之外，影像間連接點的測量精度也在一定程度上決定了地形測繪成果的質(zhì)量。

4.3 補(bǔ)充測量的應(yīng)用

在測量區(qū)域具體的地形測繪過程中，可能存在無人機(jī)航測的盲區(qū)，這就要求測量人員根據(jù)測區(qū)的實際情況分析，科學(xué)合理地布置無人機(jī)航線及像控點，保證不能遺漏，確保獲取的航測數(shù)據(jù)的完整性，同時應(yīng)及時地對獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，對出現(xiàn)遺漏的區(qū)域及時進(jìn)行補(bǔ)充測量，同時也可以采用外業(yè)調(diào)繪的方式，對初步形成的地形資料進(jìn)行檢驗分析，以減少和消除誤差，更好地保證地形測繪的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，地形測繪行業(yè)在無人機(jī)航測領(lǐng)域取得了重大進(jìn)步，其相對于傳統(tǒng)測繪技術(shù)，具作業(yè)成本低、工作效率高、測量精度高等諸多特點，極大地提高了測繪工作的質(zhì)量和效率，是一種可大力推廣應(yīng)用的新型測繪技術(shù)，為測繪行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。