试论无人机测绘数据处理关键技术及应用

李平生

摘 要：无人机技术的日益成熟，使得无人机在地图测绘、灾害监测、地质勘查等民用领域得到了广泛应用。无人机在飞行过程中，利用机载小型摄像机航拍目标区域的图像、视频，然后将这些数据信息传输回控制中心，方便管理人员动态化的了解目标区域的实际情况，从而为下一步开展相关工作提供了必要的参考。在这一过程中，如何提高无人机测绘数据处理的效率与质量，成为决定无人机在测绘行业应用效果的重要因素。文章着重介绍了包括三维视图技术、相机校验技术、空中三角测量在内的几种无人机测绘数据处理技术，并简单列举了无人机测绘技术在民用领域的几种应用情况。

关键词：无人机；测绘数据处理；三维视图；应用

中图分类号：P231 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0147-02

Abstract： With the increasing maturity of UAV technology， UAV has been widely used in mapping， disaster monitoring， geological exploration and other civil fields. During the flight of the UAV， the images and videos of the target area are captured by the onboard small camera， and then these data are transmitted back to the control center， so as to lead the managers to know the actual situation of the target area dynamically and provide the necessary reference for pushing forward related work. In this process， how to improve the efficiency and quality of UAV surveying and mapping data processing has become an important factor to determine the effectiveness of UAV application in the surveying and mapping industry. This paper mainly introduces several data processing technologies of UAV surveying and mapping， including 3D view technology， camera calibration technology and aerial triangulation technology， and simply enumerates several applications of UAV mapping technology in civil field.

Keywords： unmanned aerial vehicle； surveying and mapping data processing； 3D view； application

1 无人机测绘技术的介绍

在无人机上搭载小型高精度的摄像设备，实现对目标区域的连续拍摄，同时将拍摄到的影像资料及时传输给地面控制中心，技术人员利用计算机设备完成对这些影像资料的分析、处理，为开展各项工作提供指导和参考。无人机测绘是无人机在民用领域的一项重要应用，近年来无人机技术日益成熟，无人机的制作成本也不断降低，这些条件都为无人机在测绘领域的广泛使用提供了支持。在无人机测绘中，测绘精度是衡量无人机实际应用效果的重要指标，通过探究无人机测绘数据处理的关键技术，能够实现对测绘数据的筛选、整合与利用，从而更好的发挥无人机的应用优势。

2 无人机测绘数据处理关键技术

（1）相机校验技术。无人机通常搭载小型的非量测相机，这种相机不仅分辨率较高，且能够在高速运动状态下连续进行拍摄，是无人机获取测绘信息的主要设备。但是这种非量测相机也具有一些缺点，例如相机的主距和主点未知，拍摄过程中可能会出现不对焦的问题，造成图像畸变。为了获取精确度更高的测绘数据，需要采用相机校验技术，基本流程为：首先，选取就近的一处目标，先用数码相机拍摄目标。然后让无人机在高速飞行状态下拍摄同一目标。此时无人机拍摄所得的照片会存在一定程度的畸变。然后利用计算机软件对两组照片进行校验。以数码相机拍摄的照片为基准，不断调整非量测相机的主距和主点位置，直到无人机拍摄的照片与数码相机拍摄的照片完全重合。在相机校验技术中，除了自检法外，还可以使用试验场校验、基于多像灭点的校验方法，都可以取得类似的效果。（2）数字正射影像技术（DOM）。通过对航空相片的数字微分纠正与镶嵌，并根据特定的圖幅范围对进行裁剪而形成的数字正射影像集，其不仅具有地图几何精度，同时也具有一定的影像特征。无人机航空拍摄产生DOM的过程，主要有DEM数据处理、影像纠正处理、影像匀光匀色处理等，而DEM处理的质量直接影响着DOM的精度。而DOM的产生过程，是人工工作量相对较大的环节，故镶嵌线需要在沿着自然地物的同时，最大程度上避开人工建筑，以保证DOM的接边精度满足实际要求。（3）DEM生产。对于一些地理环境比较复杂的测绘目标，需要借助于无人机测绘技术构建DEM（数字高程模型），以方便技术人员更加详细的掌握测绘目标的各种情况。DEM作为一种对实体物体的数字化模拟，不仅能够体现出现场情况的具体细节，例如道路、树木和建筑等，而且可以根据工作需要，对这些虚拟模型进行随意的修改。虽然无人机测绘数据的精度能够满足工作需要，但是对于一些重叠、遮挡的情况，仍然需要技术人员运用DEM技术，对测绘数据和虚拟模型进行人工编辑，这样就可以及时发现并纠正无人机航拍影像资料的缺陷。此外，将DEM与BIM相结合，还能够利用电脑软件生成测绘区域的三维模型，并且利用无人机高分辨力的测绘数据，还原测绘目标的细节，这也为提高无人机测绘的实用价值起到了支持。（4）PPK技术和INS技术。一般情况下，无人机的重量均比较轻，故其飞行姿态具有一定的不稳定性，对影像处理的成果精度存在一定影响。所以，必须对无人机飞行过程中，拍摄每一张相片的姿态与位置进行准确记录。PPK技术即动态后处理技术，是一种借助载波相位进行差分的GPS定位技术。相比于传统的测量技术，PPK技术不仅对通视条件、季节、气候以及能见度等外界环境条件的要求比较小，而且作业半径比较大，能够达到30千米。而INS技术即惯性参考系统，其属于一种自主式的导航系统，既不向外界辐射能量，同时也不依靠外部信息。通过PPK技术和INS技术，能够获取具有较高精度的位置信息以及姿态信息，可以被应用在空中的三角测量。（5）DLG生产。数字线划图（DLG），是与现有线划基本一致的各地图要素的矢量数据集，且保存了各要素的空间关系信息和相关属性信息。无人机航空摄影测量生产DLG主要过程包括在空三加密基础上恢复立体像对、立体采集、外业调绘和内业编辑成图。DLG生产周期在数字测绘产品生产中最长，其立体采集需要专业技术人员佩戴3D眼镜通过专业立体电脑采集。目前无人机测绘中，DLG的应用还具有一定的局限性，这主要是因为DLG生成的图形会受到地图要素的影响，产生波动变化。如果无人机多次测绘获取的地图要素存在较大误差，将会导致数字线划图中的坐标发生改变，也就失去了参考价值。因此，下一步的技术发展方向，就是要提高无人机测绘精度，尽可能的消除干扰影响，将DLG的误差控制在一定范围之内，提高其使用价值。（6）空中三角测量。在无人机测绘数据处理中，空中三角测量对最终测绘结果的精度有直接影响。空中三角测量的内容包括像点的匹配、平差的计算和电测的控制等内容。其中，像点匹配可以由计算机来完成，技术人员可以事先在计算机上设置好相关的参数，然后将无人机测绘获得的像点导入计算机中，自动完成像点匹配。由于无人机在飞行过程中会不断调整自己的飞行姿势，因此拍摄角度也会发生变化，测绘数据中可能会出现一些误差。在进行测绘数据处理时，可以引用迭代算法和像点匹配算法，以达到控制目标物体平面位置误差和高层误差的目的（如表1所示）。

在无人机测绘数据处理中，为了避免无关因素的干扰，还可以对测绘数据进行空三加密。可以使用DATMatriX软件，遵循空中三角测量规范规定，以提高测绘数据处理的精度和效率。完成测绘数据处理后，可以继续使用DATMatriX软件进行仿真运行。

3 无人机测绘数据的实际应用

（1）矿山测绘。某地新发现一座矿山，为确保矿山开采安全，需要进行无人机测绘。具体测绘步骤如下：首先，进行无人机航线设计，通过航拍要获取矿山的地形地势、测区总面积、周围交通等数据信息。根据矿山测绘需要，确定无人机飞行的具体参数，包括飞行高度、分辨率等。其次，做好地面控制工作，提前确定好若干个测绘点，方便无人机搭载的高精度数码相机进行数据采集。在完成第一次航拍后，地面控制人员可以对无人机反馈的拍摄信息进行检查。如果测绘数据达不到使用要求，需要调整无人机的拍摄角度、飞行高度，重新进行拍摄，直到获取足够多的测绘数据。最后，将无人机收集到的测绘数据进行整合、分析，得出矿山的具体信息，包括地势特点、交通情况、植被覆盖情况等，为下一步的矿山开采工作提供了详细的指导。（2）国土测绘。国土测绘是国土资源管理中的重要技术，对提高土地资源利用效率、打击违规占用土地行为起到了积极作用。由于土地资源的使用性质一直处于动态变化过程中，传统的国土测绘手段由于效率较低，测绘结果与实际情况存在较大的差异，给国土资源管理工作的开展增加了难度。而利用无人机进行国土测绘，则具有效率高、动态化的特点，可以快速完成大面积国土资源的拍摄工作。此外，无人机搭载高清摄像机，获取的影像资料的分辨率较高，完全能够满足国土测绘的要求。无人机的环境适应能力强，可以实现全天候的飞行监控，对实现国土资源的动态化管理也提供了帮助。（3）公路边坡崩滑测绘。某山区公路在一次强降雨后出现崩滑，由于公路一侧为山体，另一侧为深沟，现场勘测具有较大的安全风险，需要使用无人机进行测绘，为后期山区公路的修复提供参考数据。具体的测绘流程为：第一，检验无人机测绘精度，利用GPS和PPK测量方法，在实际地形中标记出20个测量点，并获取这些点的精确坐标。然后利用无人机进行测量。将无人机测量的坐标值与GPS中的坐标进行对比，如果误差在±3cm以内，则说明无人机测绘的精度符合標准；第二，进行外业航拍。小型无人机搭载高清数码相机，从多角度对山区公路及其周边地形进行拍摄。将测绘数据反馈到地面控制中心，进行测绘影像处理。发现初始测绘影像有畸变和失真问题。技术人员对测绘数据进行平差处理，获得准确度较高、清晰度较好的空间信息。第三，利用地形自动提取工具，获取测区的DSM。同时运用GIS软件生产测区三维模型，更加直观的呈现出山区公路的地理情况，为下一步公路重建提供了参考。

4 结束语

利用无人机代替人工完成测绘工作，具有效率快、精度高、全天候的优点。但是无人机测绘所得数据中，可能会包含一些失真的、畸变的或不完整的数据，需要利用专门的测绘数据处理技术进行优化处理。这样一来，才能为人们制定方案计划和开展实际工作提供必要的参考，充分发挥无人机在环境监测、国土测绘等领域的应用优势。

参考文献：

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