趙正軍

（云南省水文水資源局西雙版納分局，云南 景洪 666100）

0 引言

在城市建設、農(nóng)村土地規(guī)劃、水利工程建設的過程中，大比例地形圖測繪工作是非常必要的，但是從實踐角度來講，傳統(tǒng)的測繪方式很難滿足工程建設對于大比例地形圖測繪質(zhì)量、測繪效率的需要。航空測量是現(xiàn)代技術(shù)革新之后最先應用于大比例尺地形圖測繪的技術(shù)，在當時極大地提升了大比例尺地形圖測繪的質(zhì)量，但是航空測量在實踐中往往需要消耗較多的經(jīng)濟成本與人力資源成本，同時對于測量所在地的氣象環(huán)境也有一定的要求，其限制條件比較多。無人機航測技術(shù)是近年來比較流行的技術(shù)類型，其在實踐中很好地結(jié)合了航空測量的優(yōu)勢，并避免了成本高、條件要求高等缺點，廣泛應用于工程測繪活動中。

1 無人機航測的發(fā)展與基本構(gòu)造

20 世紀70 年代，Przybilla 等第一次把攝影攝像裝置搭載到當時的無人機上，并將其應用在測繪領(lǐng)域，雖然這次實驗由于技術(shù)生疏、理論匱乏而沒有達到較為理想的實驗結(jié)果，但是卻真正開創(chuàng)了無人機航測的歷史，也是現(xiàn)代測繪史上的一次重大革新，標志著無人機航測時代的正式到來[1]。在2010 年之后，我國學者充分吸取了國內(nèi)外的無人機航測技術(shù)經(jīng)驗，并將低空無人機應用在大比例尺測圖的實例研究中，通過數(shù)據(jù)精度分析可知，其結(jié)果基本能夠滿足國家關(guān)于地圖測繪精度的相關(guān)要求，由此，低空無人機航測技術(shù)就開始廣泛運用于大比例尺地形圖測繪，為我國的工程建設、城市規(guī)劃設計、水利工程建設等活動提供了技術(shù)保障。

無人機航測系統(tǒng)主要包括以下3 個子系統(tǒng)：①空中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要構(gòu)件包括無人機主體、遙感傳感器子系統(tǒng)（主要包括信息獲取設備、信息傳輸設備）、遙感空中控制器子系統(tǒng)（主要結(jié)構(gòu)為GPS 接收天線）。②地面控制系統(tǒng)。主要包括數(shù)字接收子系統(tǒng)、無人機航線規(guī)劃子系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)等。地面控制系統(tǒng)在無人機航測系統(tǒng)中的作用十分重要，不僅是無人機控制的中心平臺，同時也是數(shù)據(jù)承接、轉(zhuǎn)移的重要樞紐。③后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要構(gòu)件包括工作站、數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)字攝影測量軟件等。后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在整個無人機航測系統(tǒng)中的作用十分關(guān)鍵，是決定無人機航測數(shù)據(jù)滿足精確性要求的最直接因素[2]。典型的無人機航測設備如圖1所示。

圖1 典型的無人機航測設備

2 無人機航測的技術(shù)優(yōu)勢

2.1 反應靈敏

反應靈敏是無人機航測技術(shù)相對于傳統(tǒng)測繪技術(shù)的首要優(yōu)勢。具體而言，在大部分測繪情境下，其地形的復雜性均較強。以傳統(tǒng)的航空測繪方式為例，為了保證人員、器材的安全，操作人員需要將飛機長時間維持在高空飛行狀態(tài)，這種操作方式對于測區(qū)氣候環(huán)境的要求偏高，雨、雪、風、霧天氣都可能對航空測繪的精確度造成比較嚴重的影響。與航空測繪技術(shù)相比，無人機航測技術(shù)并不需要較大的起降平臺，其體型小巧，可以憑借旋翼實現(xiàn)小范圍的垂直起降，同時，體型小還意味著無人機能夠輕松穿梭在各個復雜地形之間，也能夠在復雜地形中以低空飛行的姿態(tài)獲取精準的觀測數(shù)據(jù)[3]。

2.2 時效性強

時效性強也是無人機航測獨有的技術(shù)優(yōu)勢之一。具體而言，在無人機技術(shù)未普及之前，大比例尺地形圖測繪項目普遍采用的是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)測繪法，這種方法雖然能夠獲取較為精準的影像數(shù)據(jù)，但是在實踐中卻存在獲取時間長、數(shù)據(jù)內(nèi)容時效性差等問題。而無人機航測技術(shù)能夠有效規(guī)避這一缺陷，在實際操作過程中，技術(shù)人員通過操作無人機能夠在短時間內(nèi)將測區(qū)的地形圖像拍攝下來，并快速完成數(shù)據(jù)的分析與處理工作。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在正常測繪情境中，無人機平均每天可以完成30 km2左右的測繪任務，能夠快速填補航空測繪中存在的小范圍精度不足的問題。

2.3 成本較低

成本較低也是無人機航測獨有的技術(shù)優(yōu)勢之一。具體表現(xiàn)如下：①與傳統(tǒng)人工測繪技術(shù)相比，無人機測繪技術(shù)雖然在前期需要支出上萬元進行整套設備的購置，但是其在實踐中有著遠超人工測繪的工作效率與精確度，且機器的使用壽命也較長，這就可以降低無人機測繪的綜合測繪成本。②與航空測繪相比，無人機無論是在硬件購置、單次測繪成本支出方面都具備較強的價格優(yōu)勢。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在執(zhí)行同等規(guī)模的測繪任務時，無人機測繪技術(shù)的綜合成本（主要包括機器購置成本、時間成本、人工成本等）遠低于人工測繪、航空測繪等技術(shù)[4]。

2.4 適用性強

適用性強也是無人機航測獨有的技術(shù)優(yōu)勢之一。具體而言，大多數(shù)大比例尺地形圖測繪技術(shù)都具備一定的局限性，如人工測繪效率低、航空測繪要求多等，與這些測繪技術(shù)相比，無人機由于小巧的外形，很難受到復雜地形、云層等外界環(huán)境的影響，在大多數(shù)地形以及氣候條件下都能夠保持較高的精確度，這對于追求工作效率的工程建設活動來講是非常重要的。

3 無人機航測的基本流程

3.1 地面站、像控點設置

地面站、像控點設置是無人機航測活動的首要流程。具體操作流程如下：①技術(shù)人員在現(xiàn)場設置地面基站，并在其中安裝視頻顯示器、數(shù)據(jù)分析儀器、信息傳遞等設備。②從理論角度講，無人機航測能夠適應大多數(shù)的測繪場景，但是在實際運行過程中，較為惡劣的天氣以及極端高度也會對無人機的測量精度造成影響。針對這種情況，技術(shù)人員必須在測量活動正式開始之前，結(jié)合測區(qū)的地形、面積、路況因素，確定控制點的位置、數(shù)量、分布，并保證控制點精密度在2 cm 以下以及網(wǎng)絡的正常運行，這是無人機航測精確度能夠得以實現(xiàn)的重要條件[5]。

3.2 影像數(shù)據(jù)的采集與整理

影像數(shù)據(jù)的采集與整理也是非常重要的，具體操作流程如下：①對無人機機身、機載攝影設備狀況、存儲區(qū)域、信號傳遞器進行全面檢測，確保數(shù)據(jù)獲取與傳輸?shù)姆€(wěn)定性。②使用特定軟件對無人機的測繪區(qū)域、具體航線進行預先設定，例如，ALtizuree軟件就可以滿足這一需求，值得注意的是，當測區(qū)的地形變化比較明顯時，技術(shù)人員就應該根據(jù)不同區(qū)域特征，對無人機的高度、飛行航線分別進行設定。③注意控制影響重疊度。

3.3 數(shù)據(jù)的綜合處理

數(shù)據(jù)處理是測繪工作想要獲得精準數(shù)據(jù)的必要手段。具體操作方式如下：①對無人機傳輸?shù)膱D片數(shù)據(jù)進行初步分析，選出合適的控點照片以后將其進行分組，每個組次留六張照片，盡量將照片保留在建模照片當中。②采用軟件對照片本身進行處理，即先選出精度較高的照片，再對像控點數(shù)據(jù)的刺點進行處理。③對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一計算，具體方法可采用三解法、點云加密等。

3.4 地圖繪制

地圖繪制是無人機航測活動的最終流程。具體操作方法為：①技術(shù)人員對取得的所有數(shù)據(jù)進行計算，得出數(shù)字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）數(shù)據(jù)。②技術(shù)人員將數(shù)據(jù)輸入ArcGIS 軟件，并對數(shù)據(jù)中存在的樹木、河流等內(nèi)容進行分層模型建設。③將軟件得出的建模結(jié)果與矢量化特征進行比較，最終得出準確的測繪地圖。

4 實例分析無人機航測在水利工程中的應用

4.1 測區(qū)概況

本次工程的種類屬于違法行為智能化監(jiān)測系統(tǒng)，旨在保障某自然保護區(qū)水庫免受偷獵、電魚、惡意破壞公共財物等違法行為的困擾。該工程水庫控制約36 000 km2的流域，年平均發(fā)電量能夠達到6.23 億kW·h。從地形地貌角度來看，該水庫的地形起伏狀況明顯，其最高處海拔達到826 m，而最低處海拔僅14 m。

為了充分把握這36 000 km2的地形地貌以及空間特征，進而建設效率更高的檢測系統(tǒng)，相關(guān)工作人員利用無人機航測技術(shù)對其進行了大比例尺地形圖測繪，并將其作為水庫初步劃界的依據(jù)。

4.2 設備選擇與基本工作思路

為了滿足該地區(qū)大比例尺地形圖的測繪需求，本次測繪活動采用了大疆8 旋翼無人機飛行平臺對水庫進行拍攝。該設備具備以下兩點優(yōu)勢：①機身體積小，設備靈活性強；②影像分辨率高，地面分辨率差異一般在0.05 m 的水平線以下，能夠滿足測量精確度要求。

為了適應該地區(qū)地形起伏狀況明顯、面積較大的特點，本文初步設計了以下工作思路：①該地區(qū)最高處海拔達到826 m，而最低處海拔僅14 m，為了解決這一地形差異問題，技術(shù)人員對水庫測繪場景進行了分離，將其區(qū)分為丘陵、平原兩種測繪場景進行測繪。其中，由于丘陵地區(qū)平均海拔相對較高，因此無人機航高設置也相應調(diào)高。②水庫整體面積大，為了應對航測活動的經(jīng)費需求，本文僅對水庫區(qū)內(nèi)部面積約為800 km2的區(qū)域進行航測。③本次航測正射影像的地理坐標系使用2000 國家大地坐標系，投影采用高斯-克呂格投影的3°分帶，數(shù)字高程模型選擇了1985 國家工程基準。

4.3 數(shù)據(jù)處理與水庫確界

在數(shù)據(jù)處理與水庫確界階段，本文進行了以下操作：①對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，即無人機拍攝的高分辨率影像進行處理，通過拼接、融合等方式制作1:2000 的水庫正射影像圖和數(shù)字高程模型。②基于無人機數(shù)據(jù)構(gòu)建的高分辨率數(shù)字高程模型可以得出最終確界的管理區(qū)與保護區(qū)范圍。

通過數(shù)據(jù)分析可知，此次無人機航測能夠滿足實際劃界需求，同時，最終劃定的管理區(qū)范圍邊長倍于最初的劃定預期，由此可見，最終確界的管理區(qū)在細節(jié)上明顯更強。通過與初始管理區(qū)進行對比，筆者發(fā)現(xiàn)，主干流域大多都被劃入了管理區(qū)范圍，在細節(jié)上更貼合流域邊界，能夠有效滿足后續(xù)的地形判斷與工程建設需求。

4.4 違法嫌疑區(qū)數(shù)據(jù)解析

本文對無人機測定的數(shù)據(jù)、影像進行了全面分析，利用全卷積網(wǎng)絡（fully convolutional network,FCN）中的FCNˉ16 模型實現(xiàn)了對示范區(qū)的影像分類。具體操作方式如下：①根據(jù)數(shù)據(jù)制作標簽，通過256×256 滑動窗口，以100 為步長進行裁剪，最終得到了7263 張樣本數(shù)據(jù)。②對這些樣本數(shù)據(jù)進行調(diào)整，操作方式為鏡像翻轉(zhuǎn)、90°、180°、270°旋轉(zhuǎn)，采取數(shù)據(jù)增強的方式擴大樣本數(shù)據(jù)的總量，該做法的目的在于降低訓練樣本對人工的依賴，通過這種方式，得到36 315 張樣本數(shù)據(jù)，其中，隨機抽取29 052張數(shù)據(jù)進行訓練，其余7263 張用于驗證數(shù)據(jù)的準確性。

將上述得出的訓練模型應用到分類中，就可以得到水庫示范區(qū)的分類圖，通過這種方式得到的地圖具備較強的精準性，能夠切實指導相關(guān)工程建設。根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，得出示范區(qū)的違法嫌疑區(qū)數(shù)量為26，其中，數(shù)量最多的是網(wǎng)箱養(yǎng)魚、開墾兩種違法行為，而北江沿岸位置存在11 處，其種類多為開墾，支流部分存在15 處，其種類多數(shù)為網(wǎng)箱養(yǎng)魚。由此可見，無人機航測技術(shù)在水利領(lǐng)域也能取得比較不錯的效果。

5 結(jié)語

縱觀全文，無人機航測技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應用具有技術(shù)優(yōu)勢，包括但不限于反應靈敏、時效性強、成本較低、適用性強。在水利工程領(lǐng)域中，利用無人機航測技術(shù)能夠有效反映測量所在地的外表形狀、地質(zhì)特征，有利于水利工程設計、建設人員掌握全局的大部分空間關(guān)系。相關(guān)單位可以參考本文的研究內(nèi)容，并充分結(jié)合自身在大比例尺地形圖測繪中的應用需求，在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，只有這樣才能讓無人機技術(shù)更好地服務于各行各業(yè)，尤其是水利工程的測繪工作。