無人機測量技術在地形測量中的應用分析

張俊康

廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州，510663

0 引言

工程建設是一個比較繁瑣和復雜的過程，因而在開始工程建設前，需要對施工所在地區的地形進行測量，以此確保建筑工程的安全、順利開展。通過測量地形，繪制準確的地形圖，在地形圖上可以有效掌握此區域的地面情況和河流情況。在進行地形測量中，一般使用的方式為傳統大型飛機的航拍技術，測量范圍比較小的則使用人工進行測量和繪圖，但是在實際應用中存在數據準確度的問題。隨著無人機測量技術的出現，對地形測量起到了較大的推動作用，通過無人機測量技術可以獲得更加精準的地形數據信息，以此繪制出的地形圖也更加清晰、準確。

1 無人機測量的技術概述

1.1 無人機測量技術原理

無人機測量通常以航空攝影測量作為基礎原理。無人機需要承載專業的數字航空拍攝設備，在低空航行的過程中對區域地形進行測量，獲得高清的影像數據，接著利用鬼影軟件，對航拍得到的影像信息進行分析，進而使其形成三維云模型，快速生成地理信息，達到地形測量的要求。

1.2 無人機測量系統的組成

無人機測量系統的組成：飛行平臺、機載傳感器、地面保障系統、發射與回收裝置等。

1.2.1 飛行平臺和控制系統

以應用領域作為劃分依據，無人機有軍用型和民用型兩種。民用無人機目前被廣泛應用于農業種植、災情監測救援、影視拍攝等方面，在地形測量方面應用可以獲得更加清晰的圖像和準確的數據信息。飛行平臺是無人機系統中的重要組成部分，涵蓋了供電、飛行控制、動力裝置等系統。數據終端則被安裝在飛行器上，以此用來獲得航拍的數據和圖像等。飛行控制系統的存在是為了保障飛行安全，可以在無人機進行空中作業時進行實時的監控和操作，如果無人機面臨危險的情況，則可以通過遠程控制，使得無人機安全降落，保障了無人機的安全，從而降低了經濟上的損失。

1.2.2 傳感器的選擇及校驗

在傳感器的選擇上以成圖的精度以及比例尺大小為依據，并且要求符合有關的規定?？扉T的最高速度達到1/1000s，鏡頭的像素需要超過2000W，成像探測器、機身和鏡頭都需要進行有效的連接。在進行校驗之前，需要獲得對應的資質，如果出現主點坐標誤差、主距誤差及殘余畸變差等情況，需要及時進行校驗。

1.2.3 地面保障級發回系統

利用無人機地面保障系統，對無人機的飛行情況進行遠程操作，系統的組成包括地面供電系統設備和無線電遙控設備等。通過視頻接收天線、地面遙控系統實現自動追蹤的功能，顯示出無人機飛行的具體參數和拍攝的視頻、圖像等，對飛行的數據進行讀取和記錄。在控制軟件及反饋信息的輔助下，地面的監控工作者可以實時調整無人機飛行的路線，對無人機的飛行情況進行控制，一旦遇到緊急狀況，則可以實現一鍵降落、返航等功能。無人機的系統功能中，還具有回收以及發射裝置，使無人機能夠進行重復利用，并且確保無人機可以順利地飛行，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 無人機數據處理系統

此系統的組成包括數字立體測量系統、空中三角測量系統、影像處理系統。系統的主要功能是進行信息采集工作，在地形圖的繪制上需要以此作為依據，實時更新地理信息。

1.3 無人機測量作業的要點

在利用無人機進行測量作業前，需要對所測量區域的各項資料進行有效的采集，以此對無人機進行航線、航高等方面的設置，使其在符合一定標準的情況下開展航拍作業。結合無人機的飛行要求，以差異化型號的無人機標準實施操作。

1.3.1 飛行平臺選擇的要求

飛行平臺可以確定飛行的質量和高度，結合具體情況選擇對應的飛行平臺，一般需要考慮的因素包括：①相對航高，范圍在300～500m；②續航能力，根據航線距離，對無人機的續航能力進行設計；③抗風能力，飛行器設計的標準抗風力在四級風力；④飛行速度，以設計好的速度進行勻速飛行，可以保障無人機飛行的穩定性；⑤起降性能，可以在復雜的地形區域起降。

1.3.2 航高的確定

在確定無人機的航高方面，其計算方式包括相對航高以及絕對航高。相對航高是指無人機的攝影機對某基準面的高度，基準面為測區地表平均高度的平面；絕對航高指的是攝影機相對于平均海平面的高度，以測試區域內地面的平均高度為基準面，相對航高為無人機航拍的基本參數。

1.3.3 航拍基礎和質量的保證

需要結合測試區域內的地形條件和測圖比例尺，對影像的高距數值、影像用途等進行分析，以此保證成圖精度可以達到測量的標準，有利于成本控制、提高效率。在航線的設置上需要參照用戶的具體要求，在一定的設計標準下，合理設計重疊度，對基準面以及地形區別進行分析，使其可以達到成圖的標準。在無人機為主上升或下降的狀態下，需要控制其與水平位置的夾角度數在5°～12°，在困難區域的范圍為8°～15°。如果飛行中發生搖擺的情況，則水平向及飛行器中心機翼的夾角數值在15°之內；如果出現漏拍攝的情況，則需要進行航拍的補攝。

2 地形測量中無人機測量技術的應用優勢

在地形測量中，使用低空無人機測量系統飛行平臺的多為輕小型無人機，需要利用傳感器承載高分辨率的攝像機，結合3S集成技術，快速獲得有關的影像數據，以提供精確的數據信息。在進行地形測量中，無人機測量技術的優勢如下。

2.1 快速獲得數據信息

在進行地形測量作業中，利用傳統的測量方式，成本高、用時時間長，且以外業測量為主；對其數據進行分析，在進行檢驗、核對以及校對中，存在較大的工作量，需要大量的人力進行操作，不能在短時間內對測試的區域情況進行了解和掌握，一般還會出現遺漏的情況，這種情況下就需要進行區域的補測。利用無人機測量技術，在對區域地貌、地面物體等地理信息的采集和匯總上可降低作業時間，并且不會受到外界因素的干擾而發生數據信息采集受阻的情況，且不需要過多的測量和技術人員，在內業就可以較快地做好圖像信息和數字信息的高效轉化工作。將兩種地形測量方式進行對比，無人機測量技術具有明顯的優勢，成本低、效率高，是在地形測量中值得廣泛推廣和應用的測量技術[1]。

2.2 測量數據精準度高

測量數據形成誤差的原因主要在于：儀器出現問題引起的誤差、人為操作引起的誤差、外界自然因素引起的誤差。傳統的測量技術，受影像因素的干擾比較大，因而出現測量數據誤差的情況也比較多，其數據分析的參考價值也會隨之降低，也不利于建筑工程的高質量施工。利用無人機測量技術，通過立體圖模型建立高精度的標準能夠達到厘米級的精確度，測圖的精度能夠達到1∶1000，符合大比例尺地形圖對于測量精確度的標準和要求。無人機可以實現超低空的飛行，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。在無人機測量技術的應用下，拍攝的影像能夠獲得數量較多的地理信息，而以平差計算的方式對這些地理信息進行矯正，對于提升無人機測量的精確度具有重要價值。

2.3 具有靈活快捷的作業方式

我國地域遼闊，在測量作業中面臨復雜地形的情況比較多，有些地形的復雜程度甚至比較高，受到氣候的干擾，在進行地理信息的測量上就會面臨較大的困難，而利用無人機測量技術可以較好地處理這一情況。無人機一般在低空區域進行測量作業，因而受氣候因素干擾的程度非常小，這種情況下，在測量作業中不需要考慮復雜的地形情況。無人機自身的體型比較輕巧，不會受到起降環境的限制和要求，并且操作人員可以利用遠程的方式對其進行有效操控，在測量作業中也可以確保操作人員的安全。無人機測量技術靈活快捷的作業模式，有利于加強測量工作的質量，同時也減少了對地形測量作業的人力支出[2]。

2.4 高協同應用力

無人機測量技術在地形測量作業中的應用，能夠將航空攝影的功能充分展現出來，并且能夠較好地連接到與其有關的技術，包括傳統測量技術、遙感技術、GPS定位技術等，具有比較高的協同應用力。利用三維可視化數據以及影像進行模型和影像圖的建立，包括數字高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）以及數字線劃圖（DLG），可以在地形測量作業中給予非常關鍵的輔助作用。通過無人機測量技術存在的兼容性能以及協同應用力，可以有效提高地形測量作業的效率，為建筑工程設計提供更加準確的數據信息。

3 無人機測量在地形測量中的具體應用

3.1 像片控制測量

在無人機測量技術的應用中，有關人員需要做好像片控制點的布設工作。在此項工作的具體開展過程中，需要以被測區域的具體狀況、拍攝的跨度、對測圖要求的精度等為依據進行布設，在測量實地進行確定基線以及踏勘選點的作業。像片控制點布設的方式包括非全野外布點和全野外布點。一般在小范圍測量、成圖精度高的要求下應用外業測定全野外布點。在布設好像片控制點之后，則需要聯合應用GPS靜態測量、GPS-RTK動態測量等進行測量，完成像片控制測量工作。在具體作業中，需要將人工布標架設在像片控制點上邊，以此保障像片測量的準確性。對無人機上承載的攝像設備進行檢查和校驗，以此保障攝影設備可以在拍攝中處于正常的運行狀態，以此更好地進行航空拍攝作業[3]。

3.2 航空拍攝作業

在無人機開始航空拍攝前，需要進行各項準備工作，在準備工作完成之后才可以正式實施航拍。開始前，需要對測量區域的地理位置、地貌狀況和氣候情況等進行了解和掌握，并且對航拍的天氣進行選擇，以晴天和無降水的條件為基礎，且根據測量區域的實際情況，合理選擇航空拍攝的設備。如：在地形比較平坦的測量區域，一般選擇使用AF1000悉尼港的固定翼無人機；而在地形比較復雜的山丘和丘陵測試區域，一般選擇使用哈瓦V8四旋翼無人機。同時需要根據被測試區域的地貌地形、地面建筑物以及外部的自然環境因素等，對航拍的架次、攝影區域的尺寸、拍攝圖像的像幅等進行確定和設置。在進行航拍前，需要合理選擇航攝的時間，結合被航攝區域的氣候情況和具體的工作內容要求進行分析，以氣象臺的精準預報為準，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

無人機在航空拍攝中進行測量，所獲得的數據信息需要被糾正及調校后，才能得到準確的測量數據信息。在進行糾正和調校的時候一般會利用空中三角加密計算方式，利用半自動的作業方式，在像片上選取、測圖量測定向點進行整體平差，將地球曲率、大氣折光等導致的數據誤差消除掉?？罩腥羌用苁菬o人機成圖的重要步驟，通過影像進行匹配，并提取出控制點，把所測區域的影像歸納到統一的物方坐標系，進而取得每張像片的外方位元素以及加密點的物方坐標。

空三數據處理利用的是空三加密基礎理論，以光束法區域網的空中三角測量作為測量方式。在選取加密點時則需要加密點在此片及鄰片上的影像必須是清晰的，并且容易進行測量以及判讀。通常情況下，加密點的位置在像片標準處，布置在一些影像的地角或房角位置，以便更好地進行判斷。做好航攝資料的準備后，再對其數據進行護理，降低數據處理中出現失誤的概率。

3.4 內業數據采集及測圖

將經過糾正以及調校處理后的像片數據信息通過地理信息數據進行收集。業內數據的采集及處理方式可以利用全數字攝影測量系統實施，以此可以獲得更加精準的數據信息。對測試區域中關鍵的地理信息數據，在采集的時候通常會使用手動模式；而對于一般的地理信息數據，在采集的時候就可以使用計算機獲得。將采集后的數據導入三角測量的加密平差計算成果，實施建模的操作，并進行數字高程模型（DEM）、數字正射。

影像圖（DOM）以及數字線畫圖（DLG）的制作：對于數字線畫圖的制作，需要在數據處理后進行，以地面要素數字化的要求，對數據進行體現以及存儲；此圖制作后則是地理信息矢量數據集，一般情況下，會以點、線、面或特殊符號這些比較容易識別的圖形信息進行表現。利用專業的數字攝影測量系統，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，同時經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備，產生三維跟蹤體，對三維的數據資料進行收集，之后再將其導入CASS中并實施有效的編輯，然后就可以獲得矢量地理信息，也就是數字畫圖[4]。

3.5 外業調繪和精度檢查

通過外業調繪可以復核無人機測量的結果，可將測量的數據結果以紙質地形圖的模式呈現，對被測試區域缺失的清晰度和完整度步驟要素實施補測操作，并檢查形成好的地面地貌信息、增加和補充缺少的地物和地貌等。對其測圖精度進行檢查，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，使其測量的數據更加精準，且符合地形圖的效果要求和標準。

4 結論

在地形測量中，可以通過無人機測量技術，獲得實時性、精準度高的三維地理空間數據信息，為地形測量工作的開展提供了重要的條件。無人機測量技術提高了地形測量的水平，也促進了測量行業的進一步發展。