張俊康

廣州計(jì)量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州，510663

0 引言

工程建設(shè)是一個(gè)比較繁瑣和復(fù)雜的過程，因而在開始工程建設(shè)前，需要對施工所在地區(qū)的地形進(jìn)行測量，以此確保建筑工程的安全、順利開展。通過測量地形，繪制準(zhǔn)確的地形圖，在地形圖上可以有效掌握此區(qū)域的地面情況和河流情況。在進(jìn)行地形測量中，一般使用的方式為傳統(tǒng)大型飛機(jī)的航拍技術(shù)，測量范圍比較小的則使用人工進(jìn)行測量和繪圖，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的問題。隨著無人機(jī)測量技術(shù)的出現(xiàn)，對地形測量起到了較大的推動作用，通過無人機(jī)測量技術(shù)可以獲得更加精準(zhǔn)的地形數(shù)據(jù)信息，以此繪制出的地形圖也更加清晰、準(zhǔn)確。

1 無人機(jī)測量的技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)測量技術(shù)原理

無人機(jī)測量通常以航空攝影測量作為基礎(chǔ)原理。無人機(jī)需要承載專業(yè)的數(shù)字航空拍攝設(shè)備，在低空航行的過程中對區(qū)域地形進(jìn)行測量，獲得高清的影像數(shù)據(jù)，接著利用鬼影軟件，對航拍得到的影像信息進(jìn)行分析，進(jìn)而使其形成三維云模型，快速生成地理信息，達(dá)到地形測量的要求。

1.2 無人機(jī)測量系統(tǒng)的組成

無人機(jī)測量系統(tǒng)的組成：飛行平臺、機(jī)載傳感器、地面保障系統(tǒng)、發(fā)射與回收裝置等。

1.2.1 飛行平臺和控制系統(tǒng)

以應(yīng)用領(lǐng)域作為劃分依據(jù)，無人機(jī)有軍用型和民用型兩種。民用無人機(jī)目前被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植、災(zāi)情監(jiān)測救援、影視拍攝等方面，在地形測量方面應(yīng)用可以獲得更加清晰的圖像和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。飛行平臺是無人機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分，涵蓋了供電、飛行控制、動力裝置等系統(tǒng)。數(shù)據(jù)終端則被安裝在飛行器上，以此用來獲得航拍的數(shù)據(jù)和圖像等。飛行控制系統(tǒng)的存在是為了保障飛行安全，可以在無人機(jī)進(jìn)行空中作業(yè)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和操作，如果無人機(jī)面臨危險(xiǎn)的情況，則可以通過遠(yuǎn)程控制，使得無人機(jī)安全降落，保障了無人機(jī)的安全，從而降低了經(jīng)濟(jì)上的損失。

1.2.2 傳感器的選擇及校驗(yàn)

在傳感器的選擇上以成圖的精度以及比例尺大小為依據(jù)，并且要求符合有關(guān)的規(guī)定?？扉T的最高速度達(dá)到1/1000s，鏡頭的像素需要超過2000W，成像探測器、機(jī)身和鏡頭都需要進(jìn)行有效的連接。在進(jìn)行校驗(yàn)之前，需要獲得對應(yīng)的資質(zhì)，如果出現(xiàn)主點(diǎn)坐標(biāo)誤差、主距誤差及殘余畸變差等情況，需要及時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)。

1.2.3 地面保障級發(fā)回系統(tǒng)

利用無人機(jī)地面保障系統(tǒng)，對無人機(jī)的飛行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，系統(tǒng)的組成包括地面供電系統(tǒng)設(shè)備和無線電遙控設(shè)備等。通過視頻接收天線、地面遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動追蹤的功能，顯示出無人機(jī)飛行的具體參數(shù)和拍攝的視頻、圖像等，對飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和記錄。在控制軟件及反饋信息的輔助下，地面的監(jiān)控工作者可以實(shí)時(shí)調(diào)整無人機(jī)飛行的路線，對無人機(jī)的飛行情況進(jìn)行控制，一旦遇到緊急狀況，則可以實(shí)現(xiàn)一鍵降落、返航等功能。無人機(jī)的系統(tǒng)功能中，還具有回收以及發(fā)射裝置，使無人機(jī)能夠進(jìn)行重復(fù)利用，并且確保無人機(jī)可以順利地飛行，完成飛行航拍工作。在完成拍攝工作之后，可以在指定的位置安全降落。

1.2.4 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

此系統(tǒng)的組成包括數(shù)字立體測量系統(tǒng)、空中三角測量系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行信息采集工作，在地形圖的繪制上需要以此作為依據(jù)，實(shí)時(shí)更新地理信息。

1.3 無人機(jī)測量作業(yè)的要點(diǎn)

在利用無人機(jī)進(jìn)行測量作業(yè)前，需要對所測量區(qū)域的各項(xiàng)資料進(jìn)行有效的采集，以此對無人機(jī)進(jìn)行航線、航高等方面的設(shè)置，使其在符合一定標(biāo)準(zhǔn)的情況下開展航拍作業(yè)。結(jié)合無人機(jī)的飛行要求，以差異化型號的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施操作。

1.3.1 飛行平臺選擇的要求

飛行平臺可以確定飛行的質(zhì)量和高度，結(jié)合具體情況選擇對應(yīng)的飛行平臺，一般需要考慮的因素包括：①相對航高，范圍在300～500m；②續(xù)航能力，根據(jù)航線距離，對無人機(jī)的續(xù)航能力進(jìn)行設(shè)計(jì)；③抗風(fēng)能力，飛行器設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)抗風(fēng)力在四級風(fēng)力；④飛行速度，以設(shè)計(jì)好的速度進(jìn)行勻速飛行，可以保障無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性；⑤起降性能，可以在復(fù)雜的地形區(qū)域起降。

1.3.2 航高的確定

在確定無人機(jī)的航高方面，其計(jì)算方式包括相對航高以及絕對航高。相對航高是指無人機(jī)的攝影機(jī)對某基準(zhǔn)面的高度，基準(zhǔn)面為測區(qū)地表平均高度的平面；絕對航高指的是攝影機(jī)相對于平均海平面的高度，以測試區(qū)域內(nèi)地面的平均高度為基準(zhǔn)面，相對航高為無人機(jī)航拍的基本參數(shù)。

1.3.3 航拍基礎(chǔ)和質(zhì)量的保證

需要結(jié)合測試區(qū)域內(nèi)的地形條件和測圖比例尺，對影像的高距數(shù)值、影像用途等進(jìn)行分析，以此保證成圖精度可以達(dá)到測量的標(biāo)準(zhǔn)，有利于成本控制、提高效率。在航線的設(shè)置上需要參照用戶的具體要求，在一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，合理設(shè)計(jì)重疊度，對基準(zhǔn)面以及地形區(qū)別進(jìn)行分析，使其可以達(dá)到成圖的標(biāo)準(zhǔn)。在無人機(jī)為主上升或下降的狀態(tài)下，需要控制其與水平位置的夾角度數(shù)在5°～12°，在困難區(qū)域的范圍為8°～15°。如果飛行中發(fā)生搖擺的情況，則水平向及飛行器中心機(jī)翼的夾角數(shù)值在15°之內(nèi)；如果出現(xiàn)漏拍攝的情況，則需要進(jìn)行航拍的補(bǔ)攝。

2 地形測量中無人機(jī)測量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

在地形測量中，使用低空無人機(jī)測量系統(tǒng)飛行平臺的多為輕小型無人機(jī)，需要利用傳感器承載高分辨率的攝像機(jī)，結(jié)合3S集成技術(shù)，快速獲得有關(guān)的影像數(shù)據(jù)，以提供精確的數(shù)據(jù)信息。在進(jìn)行地形測量中，無人機(jī)測量技術(shù)的優(yōu)勢如下。

2.1 快速獲得數(shù)據(jù)信息

在進(jìn)行地形測量作業(yè)中，利用傳統(tǒng)的測量方式，成本高、用時(shí)時(shí)間長，且以外業(yè)測量為主；對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在進(jìn)行檢驗(yàn)、核對以及校對中，存在較大的工作量，需要大量的人力進(jìn)行操作，不能在短時(shí)間內(nèi)對測試的區(qū)域情況進(jìn)行了解和掌握，一般還會出現(xiàn)遺漏的情況，這種情況下就需要進(jìn)行區(qū)域的補(bǔ)測。利用無人機(jī)測量技術(shù)，在對區(qū)域地貌、地面物體等地理信息的采集和匯總上可降低作業(yè)時(shí)間，并且不會受到外界因素的干擾而發(fā)生數(shù)據(jù)信息采集受阻的情況，且不需要過多的測量和技術(shù)人員，在內(nèi)業(yè)就可以較快地做好圖像信息和數(shù)字信息的高效轉(zhuǎn)化工作。將兩種地形測量方式進(jìn)行對比，無人機(jī)測量技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，成本低、效率高，是在地形測量中值得廣泛推廣和應(yīng)用的測量技術(shù)[1]。

2.2 測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高

測量數(shù)據(jù)形成誤差的原因主要在于：儀器出現(xiàn)問題引起的誤差、人為操作引起的誤差、外界自然因素引起的誤差。傳統(tǒng)的測量技術(shù)，受影像因素的干擾比較大，因而出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)誤差的情況也比較多，其數(shù)據(jù)分析的參考價(jià)值也會隨之降低，也不利于建筑工程的高質(zhì)量施工。利用無人機(jī)測量技術(shù)，通過立體圖模型建立高精度的標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到厘米級的精確度，測圖的精度能夠達(dá)到1∶1000，符合大比例尺地形圖對于測量精確度的標(biāo)準(zhǔn)和要求。無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超低空的飛行，在對圖像的測量要求比較高的情況下，即使云量比較厚，也不會形成較大的干擾，所獲得的圖像色彩飽滿度和清晰度都比較高。在無人機(jī)測量技術(shù)的應(yīng)用下，拍攝的影像能夠獲得數(shù)量較多的地理信息，而以平差計(jì)算的方式對這些地理信息進(jìn)行矯正，對于提升無人機(jī)測量的精確度具有重要價(jià)值。

2.3 具有靈活快捷的作業(yè)方式

我國地域遼闊，在測量作業(yè)中面臨復(fù)雜地形的情況比較多，有些地形的復(fù)雜程度甚至比較高，受到氣候的干擾，在進(jìn)行地理信息的測量上就會面臨較大的困難，而利用無人機(jī)測量技術(shù)可以較好地處理這一情況。無人機(jī)一般在低空區(qū)域進(jìn)行測量作業(yè)，因而受氣候因素干擾的程度非常小，這種情況下，在測量作業(yè)中不需要考慮復(fù)雜的地形情況。無人機(jī)自身的體型比較輕巧，不會受到起降環(huán)境的限制和要求，并且操作人員可以利用遠(yuǎn)程的方式對其進(jìn)行有效操控，在測量作業(yè)中也可以確保操作人員的安全。無人機(jī)測量技術(shù)靈活快捷的作業(yè)模式，有利于加強(qiáng)測量工作的質(zhì)量，同時(shí)也減少了對地形測量作業(yè)的人力支出[2]。

2.4 高協(xié)同應(yīng)用力

無人機(jī)測量技術(shù)在地形測量作業(yè)中的應(yīng)用，能夠?qū)⒑娇諗z影的功能充分展現(xiàn)出來，并且能夠較好地連接到與其有關(guān)的技術(shù)，包括傳統(tǒng)測量技術(shù)、遙感技術(shù)、GPS定位技術(shù)等，具有比較高的協(xié)同應(yīng)用力。利用三維可視化數(shù)據(jù)以及影像進(jìn)行模型和影像圖的建立，包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）以及數(shù)字線劃圖（DLG），可以在地形測量作業(yè)中給予非常關(guān)鍵的輔助作用。通過無人機(jī)測量技術(shù)存在的兼容性能以及協(xié)同應(yīng)用力，可以有效提高地形測量作業(yè)的效率，為建筑工程設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

3 無人機(jī)測量在地形測量中的具體應(yīng)用

3.1 像片控制測量

在無人機(jī)測量技術(shù)的應(yīng)用中，有關(guān)人員需要做好像片控制點(diǎn)的布設(shè)工作。在此項(xiàng)工作的具體開展過程中，需要以被測區(qū)域的具體狀況、拍攝的跨度、對測圖要求的精度等為依據(jù)進(jìn)行布設(shè)，在測量實(shí)地進(jìn)行確定基線以及踏勘選點(diǎn)的作業(yè)。像片控制點(diǎn)布設(shè)的方式包括非全野外布點(diǎn)和全野外布點(diǎn)。一般在小范圍測量、成圖精度高的要求下應(yīng)用外業(yè)測定全野外布點(diǎn)。在布設(shè)好像片控制點(diǎn)之后，則需要聯(lián)合應(yīng)用GPS靜態(tài)測量、GPS-RTK動態(tài)測量等進(jìn)行測量，完成像片控制測量工作。在具體作業(yè)中，需要將人工布標(biāo)架設(shè)在像片控制點(diǎn)上邊，以此保障像片測量的準(zhǔn)確性。對無人機(jī)上承載的攝像設(shè)備進(jìn)行檢查和校驗(yàn)，以此保障攝影設(shè)備可以在拍攝中處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，以此更好地進(jìn)行航空拍攝作業(yè)[3]。

3.2 航空拍攝作業(yè)

在無人機(jī)開始航空拍攝前，需要進(jìn)行各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，在準(zhǔn)備工作完成之后才可以正式實(shí)施航拍。開始前，需要對測量區(qū)域的地理位置、地貌狀況和氣候情況等進(jìn)行了解和掌握，并且對航拍的天氣進(jìn)行選擇，以晴天和無降水的條件為基礎(chǔ)，且根據(jù)測量區(qū)域的實(shí)際情況，合理選擇航空拍攝的設(shè)備。如：在地形比較平坦的測量區(qū)域，一般選擇使用AF1000悉尼港的固定翼無人機(jī)；而在地形比較復(fù)雜的山丘和丘陵測試區(qū)域，一般選擇使用哈瓦V8四旋翼無人機(jī)。同時(shí)需要根據(jù)被測試區(qū)域的地貌地形、地面建筑物以及外部的自然環(huán)境因素等，對航拍的架次、攝影區(qū)域的尺寸、拍攝圖像的像幅等進(jìn)行確定和設(shè)置。在進(jìn)行航拍前，需要合理選擇航攝的時(shí)間，結(jié)合被航攝區(qū)域的氣候情況和具體的工作內(nèi)容要求進(jìn)行分析，以氣象臺的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)為準(zhǔn)，組織高效的飛行。在航攝中，需要具有足夠的光照度，并且陰影不宜過大。

3.3 空中三角測量

無人機(jī)在航空拍攝中進(jìn)行測量，所獲得的數(shù)據(jù)信息需要被糾正及調(diào)校后，才能得到準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)信息。在進(jìn)行糾正和調(diào)校的時(shí)候一般會利用空中三角加密計(jì)算方式，利用半自動的作業(yè)方式，在像片上選取、測圖量測定向點(diǎn)進(jìn)行整體平差，將地球曲率、大氣折光等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差消除掉。空中三角加密是無人機(jī)成圖的重要步驟，通過影像進(jìn)行匹配，并提取出控制點(diǎn)，把所測區(qū)域的影像歸納到統(tǒng)一的物方坐標(biāo)系，進(jìn)而取得每張像片的外方位元素以及加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)。

空三數(shù)據(jù)處理利用的是空三加密基礎(chǔ)理論，以光束法區(qū)域網(wǎng)的空中三角測量作為測量方式。在選取加密點(diǎn)時(shí)則需要加密點(diǎn)在此片及鄰片上的影像必須是清晰的，并且容易進(jìn)行測量以及判讀。通常情況下，加密點(diǎn)的位置在像片標(biāo)準(zhǔn)處，布置在一些影像的地角或房角位置，以便更好地進(jìn)行判斷。做好航攝資料的準(zhǔn)備后，再對其數(shù)據(jù)進(jìn)行護(hù)理，降低數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)失誤的概率。

3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集及測圖

將經(jīng)過糾正以及調(diào)校處理后的像片數(shù)據(jù)信息通過地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集及處理方式可以利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)實(shí)施，以此可以獲得更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。對測試區(qū)域中關(guān)鍵的地理信息數(shù)據(jù)，在采集的時(shí)候通常會使用手動模式；而對于一般的地理信息數(shù)據(jù)，在采集的時(shí)候就可以使用計(jì)算機(jī)獲得。將采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三角測量的加密平差計(jì)算成果，實(shí)施建模的操作，并進(jìn)行數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射。

影像圖（DOM）以及數(shù)字線畫圖（DLG）的制作：對于數(shù)字線畫圖的制作，需要在數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行，以地面要素?cái)?shù)字化的要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行體現(xiàn)以及存儲；此圖制作后則是地理信息矢量數(shù)據(jù)集，一般情況下，會以點(diǎn)、線、面或特殊符號這些比較容易識別的圖形信息進(jìn)行表現(xiàn)。利用專業(yè)的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，處理航空遙感影像存在的畸形情況，以此獲得影像的原始位置以及形態(tài)，同時(shí)經(jīng)過相鄰影像的慣性組成立體像對。之后利用三維眼鏡等硬件設(shè)備，產(chǎn)生三維跟蹤體，對三維的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集，之后再將其導(dǎo)入CASS中并實(shí)施有效的編輯，然后就可以獲得矢量地理信息，也就是數(shù)字畫圖[4]。

3.5 外業(yè)調(diào)繪和精度檢查

通過外業(yè)調(diào)繪可以復(fù)核無人機(jī)測量的結(jié)果，可將測量的數(shù)據(jù)結(jié)果以紙質(zhì)地形圖的模式呈現(xiàn)，對被測試區(qū)域缺失的清晰度和完整度步驟要素實(shí)施補(bǔ)測操作，并檢查形成好的地面地貌信息、增加和補(bǔ)充缺少的地物和地貌等。對其測圖精度進(jìn)行檢查，一般利用的方式為GPS-RTK測量，獲得平面及高層的誤差、地貌地物情況等，使其測量的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，且符合地形圖的效果要求和標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

在地形測量中，可以通過無人機(jī)測量技術(shù)，獲得實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)度高的三維地理空間數(shù)據(jù)信息，為地形測量工作的開展提供了重要的條件。無人機(jī)測量技術(shù)提高了地形測量的水平，也促進(jìn)了測量行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。