康偉偉

新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新疆 石河子 832000

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速提升，我國迎來了高速發(fā)展的全新時(shí)代，測(cè)量工程數(shù)量不斷增多，無人機(jī)測(cè)繪可以在實(shí)際的工程測(cè)量中得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還可以簡(jiǎn)化測(cè)繪操作流程，有利于操作人員進(jìn)行較高難度的測(cè)量工作，縮短工程的測(cè)量工期，提高工程設(shè)計(jì)的精確度。

1 航測(cè)系統(tǒng)組成及工作模式

無人機(jī)航測(cè)是在傳統(tǒng)航空測(cè)量基礎(chǔ)上的有力補(bǔ)充，也是目前社會(huì)中較為流行的勘探技術(shù)，主要由任務(wù)載荷系統(tǒng)和無人飛行器等系統(tǒng)構(gòu)建而成，自身具有多項(xiàng)科學(xué)、先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的土地測(cè)試觀念，實(shí)現(xiàn)了無人飛行工作，主要應(yīng)用在國土監(jiān)察、土地資源開發(fā)、土地整治、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面，準(zhǔn)確采集各地區(qū)土地環(huán)境和空間的信息。隨著時(shí)間的推移，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，自身的安全性與準(zhǔn)確性也得到了明顯提高，同時(shí)受到了社會(huì)各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)由無人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、航空攝影設(shè)備、數(shù)傳系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、電臺(tái)、地面工作站等系統(tǒng)組成。目前無人機(jī)使用的定位技術(shù)主要有RTK模式和PPK模式，RTK模式主要是給飛控提供實(shí)時(shí)的高精度的位置、速度等信息，可完全達(dá)到免像控要求，這個(gè)對(duì)電臺(tái)的刷新頻率要求較高；PPK模式主要稱為動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，與航測(cè)聯(lián)系更加緊密，需進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量。

無人機(jī)航空數(shù)字測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：從技術(shù)體系角度來講，無人機(jī)航空數(shù)字測(cè)量技術(shù)是建立在無人機(jī)的基礎(chǔ)上，與航空攝影測(cè)量技術(shù)體系共同構(gòu)建的融合性技術(shù)方案，能夠結(jié)合當(dāng)前的測(cè)繪工作需求，打造智能化的測(cè)繪技術(shù)。在當(dāng)前的國土監(jiān)察、工程測(cè)繪、應(yīng)急災(zāi)害處理等領(lǐng)域，都有較廣泛的應(yīng)用[1]。從應(yīng)用優(yōu)勢(shì)角度來講，無人機(jī)航空數(shù)字測(cè)量技術(shù)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，在數(shù)據(jù)獲取以及分析的過程中有著較高的精準(zhǔn)度，同時(shí)靈活性以及機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益較高。從實(shí)際應(yīng)用的角度來講，由于無人機(jī)體型較小、自重較輕，可以有效應(yīng)對(duì)人員無法進(jìn)入的部分環(huán)境，從而提升數(shù)字測(cè)繪的有效性，進(jìn)一步拓展工程測(cè)繪的范圍和內(nèi)容。除此之外，無人機(jī)攜帶的數(shù)字設(shè)備具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠有效應(yīng)對(duì)多種不良環(huán)境，在惡劣環(huán)境下依舊有較高的測(cè)繪精準(zhǔn)度。當(dāng)前，無人機(jī)航空數(shù)字測(cè)量技術(shù)建立在信息技術(shù)全面發(fā)展的基礎(chǔ)上，其技術(shù)體系已經(jīng)逐步豐富，能夠有效應(yīng)對(duì)不同的測(cè)繪任務(wù)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用效率，且發(fā)展空間較為廣闊。

2 無人機(jī)航測(cè)精度的影響因素

2.1 像控點(diǎn)

像控點(diǎn)成果的好壞對(duì)無人機(jī)航攝測(cè)量的質(zhì)量和效率有著至關(guān)重要的影響，其質(zhì)量主要受到以下兩方面因素的影響：一是像控點(diǎn)布設(shè)的合理性，由于無人機(jī)航攝像片的畫幅比較小，相片數(shù)量比較多，需要大量外業(yè)像控點(diǎn)的支持，因此只有合理地布攝像控點(diǎn)，才能保證航攝測(cè)量的精度以及節(jié)約人力物力；二是像控點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確性，在合理布設(shè)的基礎(chǔ)上，還需要通過GPS等常用測(cè)量工具對(duì)像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確量測(cè)，使其精度符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 天氣影響

無人機(jī)的飛行狀態(tài)會(huì)因天氣狀況而發(fā)生變化，一方面亮度影響圖像的曝光值，相鄰物體之間密度差也影響圖片的對(duì)比度，而反映圖像對(duì)比度的因素就是日光部分的亮度和陰影；另一方面無人機(jī)飛行狀態(tài)的改變導(dǎo)致測(cè)量時(shí)的側(cè)向傾斜度及旋轉(zhuǎn)角度，造成所拍攝的圖像清晰度不高甚至模糊。另外，由于無人機(jī)采用高度較低的低空飛行，與地面拍攝物體的相對(duì)速度較大，在曝光時(shí)成像表面上的物體圖像發(fā)生位移，會(huì)出現(xiàn)圖像偏移，影響圖像質(zhì)量[2]。

2.3 鏡頭畸變

無人機(jī)航攝采用的相機(jī)一般為普通家用全畫幅相機(jī)，鏡頭畸變差大，尤其是鏡頭邊緣部分，這是造成三維模型精度不均勻的主要原因。所以為了提高精度，可以根據(jù)空中三角測(cè)量成果求得的相機(jī)畸變參數(shù)對(duì)相片進(jìn)行畸變糾正，并加大航空攝影過程中相片重疊度。

3 無人機(jī)航測(cè)精度控制措施

3.1 像控布點(diǎn)方案和空三解算

目前，傾斜攝影空中三角測(cè)量仍大都采用傳統(tǒng)的POS輔助空三解算，其主要步驟包括連接點(diǎn)提取和光束法區(qū)域網(wǎng)平差兩部分。傾斜影像連接點(diǎn)提取一般采用的思路是：利用POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素作為初始值，采用SIFT、ASIFT（尺度和仿射不變特征算法）算法來進(jìn)行多視影像的特征匹配，獲取影像間的連接點(diǎn)。光束法區(qū)域網(wǎng)平差是空中三角測(cè)量的主流方法，算法理論嚴(yán)密、加密精度最高。該方法同樣適合多視影像的空中三角測(cè)量。利用ContextCapture軟件，可全自動(dòng)進(jìn)行空三加密解算。在Context Capture軟件中新建工程，提交影像數(shù)據(jù)第一遍空三運(yùn)算處理，基于POS數(shù)據(jù)進(jìn)行連接點(diǎn)提取，即相當(dāng)于傳統(tǒng)空三測(cè)量的相對(duì)定向。在相對(duì)定向合格的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行絕對(duì)定向和光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。

3.2 航攝作業(yè)過程

在進(jìn)行無人機(jī)航攝作業(yè)時(shí)，盡量選擇晴朗的天氣，首先是充分考慮測(cè)區(qū)內(nèi)障礙物的高度，并根據(jù)測(cè)繪精度要求，設(shè)置好飛行航高，保證飛行安全以及航片質(zhì)量要求；其次應(yīng)是綜合考慮作業(yè)時(shí)間、作業(yè)需求，合理設(shè)置航向及旁向重疊度，建議可適當(dāng)增大重疊度的設(shè)置，以防止無人機(jī)由于偏航或航高的起伏變化導(dǎo)致重疊度不夠的情況發(fā)生；再次還需根據(jù)天氣情況、無人機(jī)飛行速度等，合理設(shè)置所搭載相機(jī)的快門速度、感光度、光圈大小等參數(shù)，才能避免航攝像片出現(xiàn)拉花拖影、曝光過度或者黑暗模糊等影響相片質(zhì)量的情況；最后在無人機(jī)航飛結(jié)束之后，應(yīng)打開相機(jī)，對(duì)所采集的航攝像片進(jìn)行逐一檢查，檢查是否有不符合質(zhì)量要求的照片，并根據(jù)其數(shù)量及涉及區(qū)域大小進(jìn)行評(píng)估是否需要重新航飛采集。無論是多旋翼無人機(jī)還是固定翼無人機(jī)，都存在航飛速度慢、搭載相機(jī)的畫幅小的問題，因此無人機(jī)航攝測(cè)量的作業(yè)效率一直備受詬病，但多頻無線測(cè)控技術(shù)的發(fā)展使得采用多架無人機(jī)共同協(xié)作進(jìn)行航測(cè)作業(yè)成為現(xiàn)實(shí)。在同一測(cè)區(qū)內(nèi)，對(duì)每架無人機(jī)進(jìn)行不同的航測(cè)區(qū)域及任務(wù)分工，在保證安全的情況下，多架無人機(jī)同時(shí)進(jìn)行航飛作業(yè)。這樣的操作方式，縮短了影像的獲取時(shí)間，大大地提高了無人機(jī)航測(cè)的作業(yè)效率且極大地保障了測(cè)區(qū)影像的完整性。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)理論

在創(chuàng)建模糊性問題綜合評(píng)價(jià)體系過程中，應(yīng)全面考慮可操作性、整體性與全面性原則，主要由評(píng)語集、類別集與指標(biāo)集等部分組成。評(píng)語集描述精度等級(jí)，影響建模精度因子，分為數(shù)據(jù)獲取與處理兩種類別。層次分析法在創(chuàng)建兩兩判斷矩陣階段，通常忽略了人為判斷的不確定性，指標(biāo)權(quán)重是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，給出幾組模糊量，這些數(shù)值不能定量描述，計(jì)算三角模糊數(shù)改進(jìn)指標(biāo)權(quán)重，可以規(guī)避人為不確定性，解決不能準(zhǔn)確度量的問題，加強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性[3]。模糊綜合評(píng)價(jià)法屬于模糊數(shù)學(xué)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，根本是利用經(jīng)典數(shù)學(xué)工具，將模糊定性問題轉(zhuǎn)變成定量問題，隸屬度可以描述事物擁有某種屬性的程度，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)因子包括連續(xù)型與離散型兩種，連續(xù)型就是變量的取值在某個(gè)范圍內(nèi)全部的值，離散型就是變量的取值有限。連續(xù)型指標(biāo)因子包括航高與航向重疊率，利用F分布法確定隸屬度?？罩腥菧y(cè)量對(duì)于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有至關(guān)重要的作用，計(jì)算精度和決定了三維重構(gòu)模型結(jié)果，中誤差是主要的精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式為。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，傾斜空三精度的影響主要在邊角位置，監(jiān)控控制點(diǎn)的密度點(diǎn)和傾斜影響空三精度息息相關(guān)。按照平面中誤差標(biāo)準(zhǔn)和高程中誤差標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定實(shí)景三維模型的精度，參考各個(gè)檢查點(diǎn)的平面、高程中的誤差數(shù)據(jù)得出誤差直方圖，控制點(diǎn)的數(shù)量和模型精度呈正比，只增加控制單元無法確保模型精度的提高，控制點(diǎn)處在飽和狀態(tài)時(shí)，模型精度水平基本維持不變。構(gòu)建實(shí)景模型之后，能夠生成直觀性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)模型，在系統(tǒng)模型上得以開展，得到三維的地理坐標(biāo)系，在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上測(cè)量相關(guān)距離，通過比例尺進(jìn)行測(cè)算，得出實(shí)際距離。三維建模的本質(zhì)為實(shí)物的模擬呈現(xiàn)，只是近似模擬，同真實(shí)實(shí)物存在差異，所以無法全部顯現(xiàn)詳細(xì)信息，要借助評(píng)價(jià)指標(biāo)衡量數(shù)據(jù)精度。

3.4 航拍影像數(shù)據(jù)的處理

在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，無人機(jī)遙感技術(shù)可以一邊收集數(shù)據(jù)，一邊處理數(shù)據(jù)，提升了測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，使數(shù)據(jù)真實(shí)有效。目前，無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在處理信息數(shù)據(jù)時(shí)，一般會(huì)運(yùn)用數(shù)碼影像排列的方法，這就要求必須調(diào)整好無人機(jī)測(cè)量的角度，以免造成航拍影像堆疊、測(cè)繪數(shù)據(jù)圖像扭曲變形的問題[4]。基于此，在實(shí)際工作中，工作人員會(huì)在無人機(jī)的上方安裝數(shù)碼相機(jī)，通過相機(jī)的變焦鏡頭，從不同測(cè)量角度進(jìn)行影像的拍攝，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，工作人員可以使用具有獨(dú)立性質(zhì)的實(shí)景三維建模軟件PhotoscanR進(jìn)行分析，通過該軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)拍圖像的歸納和處理，準(zhǔn)確定位圖像的具體位置和實(shí)際情況，并根據(jù)實(shí)際圖像形成3D空間的數(shù)據(jù)。

3.5 控制策略保障

常規(guī)無人機(jī)控制策略以及早期對(duì)無人機(jī)控制的嘗試都是建立在線性飛行控制理論上。為解決只需一些飛行試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)就能保證無人機(jī)飛行穩(wěn)定的不確定性問題，模糊控制方法面向解決模型不確定性，在模型未知的情況下能確保對(duì)無人機(jī)的控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制技術(shù)能有效地解決多種不確定的、難以確切描述的非線性復(fù)雜過程的控制問題，其能提高控制系統(tǒng)的魯棒性、容錯(cuò)性，且控制參數(shù)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。此外，為克服某些線性控制方法的局限，保障無人機(jī)的穩(wěn)定飛行，模型預(yù)測(cè)控制是通過在每一個(gè)采樣瞬間求解一個(gè)有限時(shí)域開環(huán)的最優(yōu)控制問題來獲得當(dāng)前控制動(dòng)作；自適應(yīng)控制方法會(huì)隨著模型的不斷改善，由模型得到的控制作用也會(huì)跟著改進(jìn)，具有一定的適應(yīng)能力，但反饋控制復(fù)雜，成本很高。

3.6 精確航拍技術(shù)研究

獲得一個(gè)精準(zhǔn)的傾斜攝影模型需要優(yōu)秀的航拍技術(shù)。就飛行環(huán)境而言，無人機(jī)航拍需注意風(fēng)力不宜超過3級(jí)、保證飛行器與控制器的GPS信號(hào)、飛行器電池電量、保證飛行器與周邊建筑及樹木的距離、限飛及限高等因素[5]。在拍攝手法上，航拍路線極為重要，“拍照模式”可選擇等間隔拍攝或等時(shí)差拍攝，需注意的是，“等距間隔拍照”中拍照間隔越短，飛行速度越慢，所需飛行時(shí)間越長，拍照數(shù)量不變；“等時(shí)間隔拍照”中拍照間隔越短，飛行速度越快，飛行時(shí)間越短，拍照數(shù)量越多，在確保電池電量情況下，增加拍攝照片數(shù)量，增加單次巡航航程，調(diào)高照片重復(fù)覆蓋比例，都能有效提高傾斜攝影模型的質(zhì)量。針對(duì)體量較大的工程，如道路，在航拍每段工程時(shí)，應(yīng)確保飛行高度一致、飛行區(qū)域大小一致，且相鄰兩端航拍照片有重合點(diǎn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)得益于社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步得到了大力發(fā)展，利用無人機(jī)航空攝影數(shù)字測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪工程的技術(shù)創(chuàng)新，不僅能夠優(yōu)化原有的測(cè)繪方式，而且可靠性、精準(zhǔn)性、靈活性較強(qiáng)。將其應(yīng)用到多種行業(yè)當(dāng)中都可以取得令人矚目的成績，尤其是在工程測(cè)量當(dāng)中的應(yīng)用，不僅有效改善了傳統(tǒng)測(cè)量工作當(dāng)中的弊端，還對(duì)工程測(cè)量工作進(jìn)行了徹底的革新。