李 帥,張 杰,杜立杰,李 盼
(北京速測(cè)信息科技有限公司,北京 100080)
將無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工程測(cè)量中可以有效提高測(cè)量效率與測(cè)量精度,通過(guò)對(duì)高分辨率影像數(shù)據(jù)的快速處理與反饋來(lái)獲取質(zhì)量較高的影像數(shù)據(jù),但同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的拍攝能力和數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。目前,主流的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)主要包括影像資料采集與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)系統(tǒng),其中影像資料采集必須建立在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)操縱無(wú)人機(jī)沿著計(jì)劃航線來(lái)獲取相應(yīng)的航拍影像資料。通常情況下,需要將航向重疊保持在70%,旁向重疊保持在50%。航拍相片重疊是指無(wú)人機(jī)對(duì)同一目標(biāo)間隔相同距離的兩個(gè)位置進(jìn)行拍攝,因此無(wú)人機(jī)航拍對(duì)其數(shù)據(jù)信息處理能力具有較高要求。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的數(shù)據(jù)信息處理整合能力不斷增強(qiáng),可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)人機(jī)航拍的大量相片進(jìn)行處理分析,檢測(cè)相片拍攝質(zhì)量并對(duì)其預(yù)處理與更正。隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)適應(yīng)范圍越來(lái)越大,其在工程測(cè)量中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其中遙感信息處理系統(tǒng)分為三維建模系統(tǒng)與空中三角測(cè)量系統(tǒng)??罩腥菧y(cè)量系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)用于工程測(cè)量的基礎(chǔ),可以有效提高航測(cè)精度??罩腥菧y(cè)量系統(tǒng)是對(duì)航帶的整合處理,確定不同行帶之間的關(guān)系,對(duì)影像通過(guò)定向分析整合,確定無(wú)人機(jī)航測(cè)影像的連接點(diǎn)設(shè)置,通過(guò)相控點(diǎn)與平差計(jì)算來(lái)構(gòu)建完善的工程三維立體模型。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)原理如圖1所示。
圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)原理Fig.1 Principle of UAV aerial survey technology
無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為現(xiàn)代主要數(shù)據(jù)采集手段之一,在工程地形數(shù)據(jù)采集上具有較高效率,使工程數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性提高。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在不同地形條件下平面與高程精度要求不同,具體如表1所示。
表1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在不同地形條件下平面與高程精度 (m)
在工程測(cè)量中應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù),為了獲取更加精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果,為工程開(kāi)展提供數(shù)據(jù)參考,在應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)前要做好準(zhǔn)備工作。全面檢查無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng),確保無(wú)人機(jī)設(shè)備與拍攝設(shè)備正常運(yùn)行,確保無(wú)人機(jī)攝影設(shè)備影像呈現(xiàn)效果清晰,在無(wú)人機(jī)起飛前需要分析周圍空中環(huán)境,可以為無(wú)人機(jī)飛行拍攝提供良好空間條件。應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)的技術(shù)必須嚴(yán)格遵守航測(cè)工作流程,使航測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性提高。
工程測(cè)量中應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù),無(wú)人機(jī)不需要專業(yè)駕駛員進(jìn)行操作作業(yè),只需要無(wú)人機(jī)控制人員對(duì)拍攝影像隨時(shí)注意查看,注意觀察無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。無(wú)人機(jī)操作技術(shù)也越來(lái)越簡(jiǎn)單,小型無(wú)人機(jī)機(jī)身、體積及重量都大大減少,最小的無(wú)人機(jī)只有巴掌大小,在手上就可以實(shí)現(xiàn)起飛與降落。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)相較于傳統(tǒng)客機(jī)航測(cè)技術(shù)大大減少了選擇起飛降落地點(diǎn)的問(wèn)題,其機(jī)身質(zhì)量增加,在低空飛行可以很好地適應(yīng)風(fēng)向變化,降低飛行設(shè)備振動(dòng),避免對(duì)拍攝數(shù)據(jù)與圖像采集造成影響。使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)只需要提前設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行路線,隨時(shí)觀察無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài),根據(jù)實(shí)際情況修正。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題時(shí)可以自行降落或飛回至起點(diǎn)排除故障,由于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修或零件更換成本較低,排除故障后可以重新飛行測(cè)量。
無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)、精確度高的優(yōu)點(diǎn),對(duì)無(wú)人機(jī)操作人員技術(shù)水平要求較低,極大程度減少了無(wú)人機(jī)操作時(shí)間與數(shù)據(jù)分析處理時(shí)間,無(wú)人機(jī)自身所攜帶的高清攝影相機(jī)與專業(yè)測(cè)繪儀器,可以將工程拍攝影像質(zhì)量大幅度提高,提升工程測(cè)繪精確度。無(wú)人機(jī)具有一定的智能與自動(dòng)化,可以在一定程度減少工作壓力,提高工作效率質(zhì)量。無(wú)人機(jī)還可以使用低空遙感模式對(duì)工程地理信息完成勘測(cè),不管在高空還是超低空下都可以正常完成測(cè)繪作業(yè),廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量與應(yīng)急救援領(lǐng)域中。
無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中應(yīng)用具有較短的飛行周期,可以實(shí)現(xiàn)快速起飛降落,在數(shù)據(jù)獲取分析及處理中,只需要投入較少時(shí)間。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)成本相較于傳統(tǒng)客機(jī)測(cè)繪技術(shù)成本非常低,主要由于無(wú)人機(jī)制造材料成本低,保養(yǎng)頻率低,零件構(gòu)造簡(jiǎn)單,后期維修費(fèi)用少,極大程度減少了工程測(cè)繪成本。無(wú)人機(jī)具有簡(jiǎn)單的操作模式,測(cè)繪人員可以在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)無(wú)人機(jī)設(shè)備操作和拍攝程序的使用,無(wú)需再投入其他成本,具有使用成本低的優(yōu)點(diǎn)。
外部工作包括工程控制點(diǎn)建立,航測(cè)路線規(guī)劃及實(shí)際航測(cè)作業(yè)。建立工程控制點(diǎn)時(shí)如果仍然采用傳統(tǒng)地形測(cè)量技術(shù)對(duì)復(fù)雜的工程地形進(jìn)行測(cè)量,將會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,因此可以將無(wú)人機(jī)空中識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于工程控制點(diǎn)建立中,通常每隔260 m建立一個(gè)工程控制點(diǎn),控制點(diǎn)數(shù)量取決于工程項(xiàng)目的規(guī)模大小。無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃過(guò)程中,必須依據(jù)工程項(xiàng)目規(guī)模與地形來(lái)確定無(wú)人機(jī)飛行高度與飛行路線,應(yīng)先對(duì)航測(cè)區(qū)域的地質(zhì)條件、面積大小、天氣情況等多因素進(jìn)行調(diào)查,根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)際航測(cè)情況設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的航線,包括確定航線數(shù)量與航線方向,盡可能得到工程準(zhǔn)確合理的數(shù)據(jù),確保航測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。應(yīng)注意無(wú)人機(jī)的速度與飛行高度,確保拍攝圖像足夠清晰??梢詫z查路線預(yù)期輸入到無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中,通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)空氣環(huán)境進(jìn)行檢查,通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)來(lái)獲取更加真實(shí)有效的工程數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程如圖2所示。
圖2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程Fig.2 Application process of UAV aerial survey technology
在低空環(huán)境作業(yè)測(cè)繪中,采用傳統(tǒng)客機(jī)航拍技術(shù)經(jīng)常會(huì)由于地形因素和天氣環(huán)境影響導(dǎo)致測(cè)繪結(jié)果出現(xiàn)問(wèn)題,使航拍起降受到較大限制,如果在拍攝過(guò)程中遇到云層還會(huì)影響拍攝質(zhì)量,降低航拍安全性。應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以有效解決這些問(wèn)題,無(wú)人機(jī)航測(cè)起飛降落對(duì)外界環(huán)境要求較低,不會(huì)受到云層的影響。無(wú)人機(jī)航測(cè)在低空作業(yè)時(shí)不需要技術(shù)人員實(shí)施跟蹤,所有操作流程都可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)完成,有效保證了操作人員的安全。
航測(cè)數(shù)據(jù)采集作為無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的重要組成,要對(duì)數(shù)據(jù)信息手動(dòng)采集,通過(guò)自動(dòng)加密系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息加密處理。通過(guò)操作設(shè)備對(duì)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程操作拍攝,根據(jù)工程測(cè)量需求與實(shí)際施工情況來(lái)操作無(wú)人機(jī),確保數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性與準(zhǔn)確性,當(dāng)數(shù)據(jù)采集后還需進(jìn)行自動(dòng)加密,將拍攝的影像轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存起來(lái),根據(jù)相應(yīng)的算法自動(dòng)加密,只有通過(guò)輸入密碼才能正常訪問(wèn)數(shù)據(jù)信息。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)通過(guò)自動(dòng)加密可以有效確保數(shù)據(jù)采集的安全性,避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)損失或丟失。影像測(cè)繪過(guò)程中,要根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況合理規(guī)劃設(shè)置無(wú)人機(jī)路線,在無(wú)人機(jī)測(cè)繪起飛前,調(diào)整相機(jī)鏡頭,查看相機(jī)成像效果,避免由于攝像設(shè)備問(wèn)題造成無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果較差。無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中路線并不是非常穩(wěn)定,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏角問(wèn)題,如果風(fēng)力過(guò)大還會(huì)造成無(wú)人機(jī)影像旋片角度過(guò)大,實(shí)際影像無(wú)法直接對(duì)應(yīng)。因此技術(shù)人員必須合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境、起落平臺(tái)及飛行路線,根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行特點(diǎn)開(kāi)展測(cè)量作業(yè)。通常情況下采用空中三角測(cè)量技術(shù)定點(diǎn)測(cè)量,通過(guò)其自動(dòng)化特點(diǎn)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)中的操作誤差自動(dòng)糾正處理,自動(dòng)匹配相應(yīng)航線數(shù)據(jù),對(duì)連接點(diǎn)提取并測(cè)量,判斷是否分布均勻,有效增強(qiáng)航拍畫(huà)面的清晰程度,使影像匹配與連接點(diǎn)提取的誤差有效降低,避免無(wú)人機(jī)拍攝錯(cuò)誤,提高無(wú)人機(jī)航測(cè)質(zhì)量。
無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在工程測(cè)量中應(yīng)用,要采集到航拍圖像數(shù)據(jù)并對(duì)航拍圖像質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證,確保滿足工程建設(shè)對(duì)地形圖測(cè)量的要求,如果不能滿足需求還需要進(jìn)行再次拍攝,直到航拍圖像滿足工程規(guī)劃要求??梢酝ㄟ^(guò)對(duì)航拍圖像檢查,進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理,完成空中三角測(cè)量后可以合并不同子塊的航空?qǐng)D像,使用相同的圖像控制點(diǎn)來(lái)執(zhí)行不同子塊的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)其中嚴(yán)重誤差進(jìn)行排除,處理區(qū)域網(wǎng)絡(luò)限制問(wèn)題。將圖像數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入映射軟件中,對(duì)內(nèi)部方向、相機(jī)變形及平均高度測(cè)量等參數(shù)完成設(shè)置。根據(jù)工程地形數(shù)據(jù)完成編輯,如果最終工程情況出現(xiàn)缺陷,必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)并矯正,直到地形圖生成滿足工程規(guī)劃要求。
無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的內(nèi)部處理工作主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與數(shù)據(jù)結(jié)算兩方面。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作是將無(wú)人機(jī)中的航測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出后,對(duì)其航測(cè)位置與影像資料進(jìn)行處理,對(duì)無(wú)人機(jī)整體航向與旁向角度調(diào)整,處理無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù),在之前控點(diǎn)布設(shè)的基礎(chǔ)上確定工程具體坐標(biāo)。數(shù)據(jù)結(jié)算工作中,需要將無(wú)人機(jī)航測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出,在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立具體位置坐標(biāo)圖,將坐標(biāo)圖與工程實(shí)際位置相匹配,對(duì)工程數(shù)據(jù)規(guī)劃處理,根據(jù)控制點(diǎn)位置來(lái)選擇工程合適的坐標(biāo)體系,完成數(shù)據(jù)處理。
工程測(cè)量中使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù),要獲取工程數(shù)據(jù)資料就必須根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的測(cè)量方法,根據(jù)工程不同測(cè)量區(qū)域內(nèi)容來(lái)選擇合適的測(cè)量技術(shù),將測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)反饋處理,確保數(shù)據(jù)信息獲取質(zhì)量。完成無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集,在記錄過(guò)程中開(kāi)始二次航測(cè),分解無(wú)人機(jī)飛行路線,確保飛行路線更加準(zhǔn)確與全面,在收集航測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程中采取有效措施提高無(wú)人機(jī)攝像分辨率,使數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。獲取無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),不但要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),還要通過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使數(shù)據(jù)資料精確度更高。
應(yīng)要求工程測(cè)量人員參加無(wú)人機(jī)駕駛與拍攝技術(shù)培訓(xùn),提高專業(yè)能力,積累操作經(jīng)驗(yàn),幫助測(cè)量人員盡快掌握無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)。通過(guò)提高測(cè)量人員操作水平,將無(wú)人機(jī)航測(cè)誤差控制在一定范圍內(nèi),提高精度。應(yīng)打造綜合素質(zhì)高的專業(yè)測(cè)量技術(shù)人員隊(duì)伍,制定合理的績(jī)效考核制度,使其保持積極性與能動(dòng)性。還可以采用社會(huì)招聘方法,不斷引進(jìn)高水平的專業(yè)人員,使無(wú)人機(jī)航測(cè)工作質(zhì)量有效提高。操作人員應(yīng)定期參加業(yè)務(wù)能力培訓(xùn)與技能訓(xùn)練,通過(guò)科學(xué)有效的培訓(xùn)方式,使無(wú)人機(jī)操作理念與操作技巧更新發(fā)展,提高技術(shù)水平,確保無(wú)人機(jī)飛行迅速,減少無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)角度,提高航拍數(shù)據(jù)系資料的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。測(cè)量人員與無(wú)人機(jī)操作人員還應(yīng)加強(qiáng)溝通交流,避免無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題,提高無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。
近年來(lái),無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相較于傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù),無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有投入成本低、操作簡(jiǎn)單及拍攝精度高的優(yōu)點(diǎn),可以有效提高工程測(cè)繪工作效率質(zhì)量。技術(shù)人員依據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)特點(diǎn),采用正確操作流程,可以有效提高無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度,獲得更加精準(zhǔn)的工程數(shù)據(jù),促進(jìn)工程建設(shè)順利展開(kāi)。