論無人機在地形測繪工程中的應用

論無人機在地形測繪工程中的應用摘要:測繪行業(yè)發(fā)展迅速，面臨的挑戰(zhàn)難度越來越大。傳統(tǒng)測量技術已經難以滿足目前社會生產需求，隨著越來越多異形建筑出現，對未知地域的不斷探索，越發(fā)需要科技含量更高、更先進的測繪技術來完成測量任務。測繪學科與其他專業(yè)的結合也誕生出了許多新式的測繪技術、測繪設備，無人機便是其中最具特色的一個。其利用攝影測量原理，將攝像頭與感應器固定于機體底部，利用微處理器控制自動化工作系統(tǒng)，解放了人力的同時，大大提高了測繪工作的效率。基于此，本文重點討論關于無人機在地形測繪工程中的具體應用。關鍵詞:無人機；地形測繪工程；應用引言:如今社會各行各業(yè)都開始出現互相結合的現象，很多行業(yè)中都出現了測繪的身影，普通的施工項目中，測繪技術發(fā)展迅速，設備儀器已經經過了很多次更新?lián)Q代。在一些與測繪行業(yè)相關性較小的行業(yè)，因為測繪技術測量精度的提高，這些行業(yè)中也出現了測繪技術的應用，如在工廠車間的設備安裝，需要高精度的測量數據保證安裝的精密性，除此之外，還有許多實例。測繪行業(yè)也在與其他領域相融合，專家們發(fā)現，發(fā)展到一定的高度時，測繪自身所擁有的技術便會無法突破瓶頸，必須與其他學科相結合才可以突破出現的瓶頸，并且以后學科與學科之間聯(lián)系緊密是大勢所趨，單一的學科知識已經無法滿足社會生產需求，基于此，無人機測繪技術就被創(chuàng)造了出來。一、無人機在地形測繪中的應用場景無人機測繪打破了傳統(tǒng)測繪的地面局限性，通過高空俯視的方式測量地形圖。這是測繪與計算機、航空、互聯(lián)網等科技含量較高的學科的結合，無人機測繪技術伴隨著復雜地形測繪難以開展等問題被創(chuàng)造出來。無人機測繪主要利用高空攝影、高空中傳感器接收反饋地形信息等技術，適用于地形起伏度較大、地面視野通透性不好、測量面積大等測繪任務。相比傳統(tǒng)測繪技術，無人機測繪技術還具有工作效率高、減少對于人力的過度依賴、成本低投入少等優(yōu)點，因此無人機測繪已經應用于很多場景測量中。一些地面工程開工前，需要施工區(qū)域及附近區(qū)域的地形圖。一是為了根據地形圖設計施工方案，二是考慮施工區(qū)域的改變對周圍區(qū)域的影響，采取必要預防措施。在樹木多生地區(qū)，樹木會阻礙測量視線，且樹木生長迅速，現有地形圖并不能完全符合實際地形，因此需要在已有地形圖的基礎上測量[1]。對于一些建筑物的判斷預測，僅靠人眼觀察無法得出準確的判斷，無人機測繪可以替代人眼觀測出準確的數據。無人機通過搭載的高清相機及感應器，將測量得到的測量圖像以電子信號的方式傳遞給控制臺，供給工作人員參考。無人機測繪除了在測繪施工中應用外，現在已經熟練應用于救災防災方面。在自然災害與人為災害防治中都發(fā)揮了重要的作用，既可以觀測災情下的地勢地形，給地面救援隊伍做出指導，還可以攜帶救援設備，實施遠程高中救援，第一時間到達災情現場。例如，在此次東航MU5735墜機事件后續(xù)搜尋過程中，無人機發(fā)揮了非常重要的作用。在前期搜尋過程中，應急指揮部派遣了技術人員協(xié)助政府調查，使用了無人機技術。在視頻中可以看到無人機傳回的畫面是以紅外感應、拍攝照片兩種方式展示出來，紅外感應是確定有無生命跡象，照片是給搜尋隊伍提供地形圖，為其指引方向。央視新聞事故報道中介紹了飛機墜毀地區(qū)的地形十分復雜，樹木多生，多梯田……搜尋工作開展難度十分大，同時伴隨著天氣情況不太友好，搜救隊伍很難進入到事故地。這從側面印證了無人機在地形測繪中已經發(fā)揮出了很好的作用，其可以輕松應對各種地形，測量時可以及時傳送回數據、圖片。搜救隊伍得到地形圖后，根據地形地勢走向及實際林木分布情況與圖上比較，推斷出了飛機墜落的地方，為后續(xù)工作指明了方向。這展示了無人機在地形測繪中可以無視地形限制，工作效率高，局限性小，具有數據時效性高、操作方便等優(yōu)點，同時無人機測繪技術還有很多待發(fā)掘的功能。二、無人機原理1.硬件系統(tǒng)無人機硬件系統(tǒng)主要由兩部分組成。第一部分是飛機平臺，飛行平臺包括機身，涵蓋機體、操控系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)、信息傳輸等部分。機體包括飛行器裝置、動力裝置、飛行控制系統(tǒng)、GPS導航系統(tǒng)、傳感器、其他配件等部分。通常，測繪無人機機翼長約2m，主體由碳纖維組成，其余部分由木材、玻璃纖維或航空用材填充，這樣做的目的是控制無人機重量，延長無人機空中使用時間。使用汽油作為動力來源的無人機時速可以達到100km/小時，采用電力為能量來源的無人機可以達到70km/小時，使用者可以根據具體需要選擇合適的動力系統(tǒng)。其他配置則基本相同，主要參考預算選擇。第二部分便是地面站。地面站主要包括操控臺、控制無人機的各項參數、及時接收無人機傳送回的信息、修正無人機的飛行姿態(tài)等功能。除此之外還包括三大系統(tǒng)。一是監(jiān)控系統(tǒng)，主要負責實時監(jiān)控無人機的各項飛行數據、飛行軌跡，確保無人機可以正常開展測繪工作。二是通訊系統(tǒng)，其并不是人與人的通訊，而是測量工作人員與無人機進行通訊，工作人員在地面站接收無人機反饋回來的信息，給無人機發(fā)送任務指令。三是任務系統(tǒng)，內置于無人機處理器中，無人機將接收到的任務指令整合，分出優(yōu)先測量的順序與最佳測量方案，以保證測繪工作有序、高效的進行。2.無人機工作流程測繪無人機工作流程與普通無人機大致相同，只是多了測繪功能。其工作流程分為三步。第一步，前期規(guī)劃[2]。對現場進行大致勘測后，選擇最佳策劃方案，設計最佳路線，使測量作業(yè)有序進行。第二步，外業(yè)測繪。包含無人機起飛、收回、地面操控、機體組裝等方面，這一步主要是普通無人機的主要工作流程，如果懂普通無人機，操作這一步便可以輕松自如。第三步，數據處理。主要是將無人機傳送回的數據進行處理，舍棄一些誤差太大的數據，借助空中三角測量建立模型，代入數據處理影像信息，之后通過各種處理手段，得到最終所需要的、可以使用的數據。三、無人機測量應用方面的優(yōu)勢1.測量結果辨識度較高無人機測量提高了地形測量水平，同時無人機測量結果具有較強的辨識性，一般多以影像圖片為主。無人機上搭載有專業(yè)的測量相機，可以在相片上標出特定的地形數據，相比繪制的地形圖，無人機測量影像清晰，地形細節(jié)較完善，時效性很強，具有特別明顯的辨識度。2.測量靈活性高對于復雜地形，無人機測量可以一定程度上減少測量難度，降低測量工作強度，將二維平面測量提升至三維空間測量。相比傳統(tǒng)測量技術，無人機測量減少了一些工序，測量結果更加精確、時效性更高。同時無人機測量大大減少了地形限制，與傳統(tǒng)的攝影測量技術相比，無人機操作簡便，靈活性高，減少了對于測量員的依賴性，同時在一定程度上保護了測量人員的人身安全。例如，筆者曾在陜北地區(qū)參與過地形測量，外業(yè)測量工作人員需要根據地形點衛(wèi)星圖完成區(qū)域攝影測量，很多地方地勢險峻，人力難以到達，但還需要測量。測量過程中修建的道路很少，只能根據衛(wèi)星地圖判斷出前進路線，且大多數地方沒有網絡信號和衛(wèi)星定位信號，具有一定的危險性。假如使用無人機代替人力，提高工作效率、數據準確率的同時，人身安全得到了保證，特別是對區(qū)域面積在100平方千米以上時，使用無人機與移動載具可以非?？焖俚耐瓿蓽y量任務，保證工程可以按時完成。對于一些地形起伏特別大，坡度超過60度甚至接近于垂直的地形，無人機可以完全取代人力，工作人員只需在地面上操作無人機進行測量，避免了將測量人員置于危險之中。3.測量成本較低相比于其他測量技術所需要的專業(yè)設備，無人機測量設備成本較低，地面測量設備價格的通常較高，這主要因為測量設備制造技術由外國掌握，我國測量起步較晚，在這方面缺少經驗。而無人機技術我國處于領先地位，因此我國的專業(yè)測量無人機造價較低，且數據精度較高。無人機主要由高分子材料制造，使用年限較長，但在各種惡劣氣候條件中受影響較大，這點還需要改進。除此之外，無人機配件的發(fā)展，也使得無人機維修更加簡便、更加實用，因此，大量測量單位已經引進了無人機測量技術。4.無人機對操作人員要求較低傳統(tǒng)攝影測量需要配備專業(yè)的飛機駕駛員，對比之下，無人機培訓周期較短，一般在一周至半個月，之后便可以熟練使用無人機在各種地形中測量[3]。無人機的飛行高度一般在幾十米至幾百米之間，與攝影測量相比，相片分辨率更高，申請空域便捷；與航天遙感技術相比，消除了云層、地面與航空鐘差、大氣折射的影響，性價比更高，同時無人機還可以搭載各種類型的傳感器，可以滿足各種測量需要。例如，無人機可以用于防災救災與地面監(jiān)測等，在小雨、微風等天氣條件下依然可以正常使用，且保持較高的數據精度。除此之外，無人機可以通過多角度測量建立3D測量模型，這是其他測量技術所不具備的。無人機測量技術是攝影測量的簡化，是測繪與現代學科的結合，打破了傳統(tǒng)測繪思維局限，將地面觀測改變?yōu)楦呖沼^測，其相比傳統(tǒng)測繪技術在許多方面擁有優(yōu)勢。隨著無人機測繪技術的發(fā)展，無人機已經應用于各種測繪領域中了，開啟了新的技術革新。四、無人機地形測繪中應用分析1.規(guī)劃路線與測量范圍無人機持續(xù)工作時間較短，一般在一個小時左右。因此，在無人機開機之前，需要規(guī)劃設計好測量路線，劃定測量范圍，提高工作效率，將一小時的使用時間發(fā)揮到極致。同時，還要提前了解測量范圍內的大致地形及障礙物分布，避免無人機低空飛行時撞擊，保證無人機的正常使用。2.所得數據處理利用無人機測量得到的點云數據是高層數據，做好數據濾波的同時，還要去除影響數據的點云[4]。LidarModel模板操作性簡便，可以實現數據濾波，然后將處理后的點云數據轉換為網格數據，之后通過軟件處理得到測量區(qū)域地形模型。3.低空作業(yè)處理在低空測量中，無人機受樹木叢林、復雜山體影響較大。一是視線受限，無法按時完成測量任務；另一方面則是無人機飛行速度較快，對自動避障功能要求較高，若無人機無法及時避開障礙，極大可能會產生撞擊。因此，在復雜地形測量中應該提前了解障礙物，降低飛行速度，避免無人機受到撞擊傷害。除此之外，無人機測量技術還可以結合遙感技術應用于其他測繪領域中，如局部環(huán)境測繪、城市測繪、應急測繪等方面，利用低速巡航技術實現某一方面需求。4.空中三角測量應用開展空中測量主要有這些步驟。①依靠無人機搭載的微處理器實現空中加密；②對目標三角點進行測量；③對空中三角進行加密測量。第一步主要是對地面凸起先展開測量，使用空中定位的方法[5]。根據實際地形如山體、山谷、河道等，設置高度差值，以此保證無人機工作穩(wěn)定性。對一些坡度起伏較大的區(qū)域，還要采取添加加密點數量的方式提高測量精度，需要注意要盡量將添加加密點數量控制在兩個左右。對無邊緣自由規(guī)劃測量區(qū)域，需要有效加密測區(qū)控制點。5.補測無人機飛行速度較快，有時會出現拍攝時對焦不準、影像模糊、數據質量有問題或偏差較大的狀況，這時候便需要進行補測，完善地圖模糊區(qū)域，提高數據質量。補測過程中，工作人員同樣要規(guī)劃測量路線，減少盲點的影響。對于一些大面積覆蓋干擾物，妨礙無人機測量的狀況，只能使用人工進行測繪，相比于無人機測繪，人為測繪易出現數據錯誤，且誤差較大，數據精度往往較低。6.繪制地圖利用計算機處理無人機傳回的信息，建立對應的模型，使用三角測量系統(tǒng)，將測量數據帶入，這樣可以得到核線影像，之后對圖像進行編號，通過各項數據對比確定最終結果。需要注意的是，在繪制地圖中，對一些特殊地點應采用放大字體的方式進行重點標注，注意突出地圖的真實性，按需求制作地圖。7.突發(fā)狀況處理外業(yè)測繪作業(yè)往往伴隨有許多突發(fā)狀況，因此工作人員需要提前準備應對可能出現的突發(fā)狀況[6]。如天氣突然變化，影響無人機飛行姿態(tài)，測量工作人員需要有足夠的經驗應對各種突發(fā)狀況，同時測量人員還要有測量所在區(qū)域的村民聯(lián)系方式、救援電話，以應對突發(fā)情況。同時無人機測繪中還可以融入其他測繪技術，如遙感技術、遙感技術，輔助開展測量任務，獲取更加準確的信息，保證測量任務可以按時完成。目前已經流傳的地圖中，很多便是通過這種測量方式制作而來的。無人機測量得到的地圖相比傳統(tǒng)制作而來的地形圖更加直觀，視覺效果更佳，時效較新，且制作容易，經濟消耗小，因此大受歡迎。五、結束語目前無人機測量發(fā)展迅速，已經得到廣泛應用，提高了測量精度與數據準確度，但同時還存在一些不足，有待改進。本文主要分析了無人機測量在地形測繪工程中的應用，從多方面進行論述。第一部分，分析了無人機在地形測繪中的應用場景，分析了無人機測量技術相比傳統(tǒng)測繪技術具有的優(yōu)勢，并具體深入分析了前段時間東航MU5735墜機事件中無人機發(fā)揮的作用，簡單論述了無人機測量的優(yōu)點。第二部分分析了無人機原理，從無人機工作流程和硬件系統(tǒng)兩方面展開論述，旨在幫助讀者理解無人機工作原理，可以更好的開展無人機測量任務。第三部分，主要探討無人機測量應用方面的優(yōu)勢，分四點進行討論。分析了對于測量員的要求，經濟性較好，測量靈活度高。第四部分，圍繞無人機地形測繪中應用展開，從準備工作到繪制地圖，分析了無人機使用步驟及部分細節(jié)問題，最后闡述了無人機測量結果投入使用產生的影響。綜上，無人機的應用前景十分廣泛，提升空間巨大。希望本文可以給讀者提供一定的參考價值。參考文獻:[1]孫芹芹，張加晉，姬厚德，羅美雪，楊順良.基于衛(wèi)星和無人機的后石電廠溫排水分布研究[J].應用海洋學學報，2020,39(2)：261-265.[2]何先寧.無人機航空攝影測量技術在地形測