无人机摄影测量在高边坡测量中的应用

徐文斌 顾士征

摘  要：新技术是科技发展道路上留下的必然产物，随着新技术的不断更新和改进，其优势在实际应用中被充分展现，因此人们也越来越愿意接纳新技术。早在多年前无人机航测技术就被应用于测绘测量行业，目前已正式进入到实用化阶段。无人机航拍技术是通过在无人机上安装摄像头的方式对地面展开观测，从而获得影像数据。凭借这些数据再加上数字建模的算法即可快速生成各种地理信息和长、宽、高等参数，真正实现三维地形信息的测绘并完成影像模型，其优势主要体现于易操作、降低人工投入成本、获取数据快且准确，为企业节省了大量的资金。

关键词：无人机;摄影测量;高边坡;数字建模;三维地形信息

中图分类号：P231 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0167-02

Abstract： New technology is the inevitable product left on the road of scientific and technological development. With the continuous update and improvement of new technology， its advantages are fully demonstrated in practical application， so people are more and more willing to accept new technology. As early as many years ago， unmanned aerial vehicle （UAV） aerial survey technology was applied to the surveying and mapping industry， and now it has officially entered the practical stage. The aerial photography technology of UAV is to observe the ground by installing a camera on the UAV to obtain image data. With these data and digital modeling algorithms， we can quickly generate all kinds of geographic information and length， width and advanced parameters， and truly realize the surveying and mapping of 3D topographic information and complete the image model. Its advantages are mainly reflected in easy operation， reducing labor input costs， having fast and accurate access to data， and saving a lot of money for enterprises.

Keywords： unmanned aerial vehicle（UAV）; photogrammetry; high and steep slope; digital modeling; 3D topographic information

引言

在進行地理信息测量时采用无人机技术，充分利用无人机所搭载的摄像头实现在高空中进行立体式广角拍摄，基本处于自动化模式，而获取的信息准确率高且又全面，最适合用于全景图像生成和对公路的测绘。通过无人机所拍摄的地面景象更为真实，对于部分原始影像数据信息可根据要求展开处理，使其显示效果更易于肉眼识别，方便工作人员直接使用。也正因此才获得了用户体验的良好评价，无论是从科研还是商业的角度去看其应用价值都是有目共睹的。

1 概述

以某市世纪大道工程主线为例，全长6480.201m，其中存在12处多级不规则高边坡。使用GPS仪和人工操作全站仪对高边坡进行测量是传统的方式，而在此次测量中则使用无人机航拍航测技术展现全景式测量，其效果明显好于传统测量方式。

2 无人机航测技术

2.1 航拍特点

与传统拍摄技术相比，航拍具有三大特点。第一，快速航测反应能力。在实际测量工作中使用无人机航测一般都是低空飞行，不容易受天气和环境的影响。而且，无人机本身小巧不需要太大或特制的起飞和降落的场地，通常只要场地平整即可。同时，在无人机航测过程中无需驾驶员进行操作，因此也无需为工作人员考虑安全问题。无人机升空只需15秒左右即可完成，其操作也非常简单易学。因为受到空域影像的范围很小，所以能够去往人工测量不能到达的地方，进而测量范围广大;第二，突出的时效性和性价比。在传统的高分辨率卫星遥感数据中常常会遇到存档数据时效性差和编程拍摄时效性差的问题，通过无人机航测技术就完全可以避免这两个问题的发生，工作不仅可以随时进行，还能以最短的时间测完规定区域，并准时输送所测数据。与传统卫星遥感测绘相比，无人机航测技术还有一大优势就是为测量项目节省了大量的人工和资金成本;第三，监控区域受限制小。我国地域辽阔，有些区域地形和气候都特别复杂，例如常年积雪、全年云层较厚等，而这些都有可能成为影响卫星遥感技术进行数据采集的因素。而且根据我国相关规定，有明确指出大型飞机在航飞时不得低于5000m，而这也正是飞机会受云层影响的主要原因，一旦出现这种情况必会降低测量结果的精确度。那么，无人机因其监控的区域受限制较小，所以无论是成像质量还是测量精度都远高于大飞机航拍的结果，恰好解决了上述问题[1]。

2.2 航拍摄影测量原理

所谓无人机航拍其实就是在无人机上安装特定的摄像头，人工操纵遥感根据需求对地面进行扫描，从而获取的影像数据。其实际操作步骤如下：首先，通过遥控器控制飞机的飞行速度和方向等，在规划好的航线上进行反复飞行来获得坡体数据;然后，通过计算并分析所得到的这些数据，再根据各种数学算法建立几何模型显示出来。

2.3 航拍前的准备工作

首先，观察。当来到一个陌生地点时需要做的第一步就是打开卫星地图软件，通过软件先对这个地点做基本的了解和认知。通过卫星地图软件能够识别接下来需要进行航拍区域中的建筑物、桥梁、道路和停车场的基本情况，为航拍做好先前的准备工作，也便于选定实际航拍的角度与位置。其次，选择起飞点。为方便操作手操作尽量选择视野开阔的区域为起飞点，确保各种遥控信号不间断以免影响图像数据的传输。最后，航线规划。在选择航线之前，必须保证无人机的安全，确定在此航线中不受气流等自然现象或人为性攻击;同时，为了确保所拍图像的辨识度能够达到要求，拍摄角度必须选择最佳否则会直接影响航拍效果。在符合以上所有条件下的路线中选择最短的一条可以节省成本。

2.4 选择像控点

正确选择像控点非常重要，因为它会影响成图的数学精度，一旦选择的位置不合适，内业成图质量将难以得到保障，同时也会给实地观测作业与内业成图工作带来不同程度的困扰。平面点、高程点和平高点必须选在明显目标点上，因为它是影像位置能够清楚识别的点。通常情况下，大部分地区理想中的明显目标基本是接近直角同时又临近水平的线状地物的交点和地物的拐角处，尤其是处于固定状态下的田角与道路交叉，都会被选为理想目标的重点考察对象。

2.5 航线规划

在开展航线规划时采用Altizure软件，可以使航线规划更加准确，而且在完成规划后可以设置自动执行任务飞行，方便又实用。操作步骤具体如下：（1）在无人机飞行之前先打开APP的新建任务;（2）限定目标范围;（3）设置相关参数并将任务进行保存;（4）点击任务开始并随之上传;（5）当任务上传成功后正式開始飞行，首先前往第一条航线起点开始第一条线路飞行，开启自动拍照模式，当完成第一条路线飞行后继续第2，3，4……条任务路线，重复以上操作到所有线路全部飞完，任务全部完成后会自动返航。当然，在正式飞行前必须保证飞行环境的安全[2]。

2.6 使用软件制作三维模型

通过Pix4Dmapper把无人机拍摄影像以最快的速度制作出最为精确专业的二维地图和三维模型。为提高生成模型的精度可以在建模过程中加入控制点。通常情况下选取6%的照片作为控制点，但在高程变化大的区域适当增加控制点数量可以帮助提升高程精度。将控制点刺于图像上，在距离测区边缘的区域不要设置控制点。

3 实用案例分析

世纪大道项目高边坡航测。在世纪大道YK4+938～YK5+026m段的右侧是高边坡，其总长度大约有90m，此边坡是按照三级放坡开挖，坡高在16.1m～36.6m之间，放坡坡率在1：0.72～1：0.80之间。此边坡属于岩土质高边坡，岩性种类繁多，错综复杂，有少许残坡积土体覆盖于表面，此边坡不具稳定性，当高边坡开挖后需及时施做锚索框架梁，而且当下属雨季，受雨水冲刷的影响导致边坡的左侧部分土体发生了滑移变形等现象。此刻及时采用航测技术快速测出边坡的具体变形情况，对坡脚采取了加固措施，得以妥善处理。具体航测分为以下四步：（1）做出航线规划，制定数字表面模型;（2）生成点云三维模型;（3）加密点云三维模型;（4）基于加密点云数据生成边坡三维模型[3]。

4 在实际航测过程经常遇到的问题及解决方法

本次航测过程中遇到了三个问题，具体问题说明及解决方法如下：第一，建模效果模糊度过高的原因：（1）在无人机的整个拍摄过程中常会出现姿态失稳现象;（2）基于此次大疆精灵4设备的地面站软件设置问题。解决方式：（1）一定要避开强风暴雨天气和高强度光照的时间段，尽量选择各方面条件都符合飞行的天气;（2）在设置地面站软件

时，其中一项是对拍摄时间间隔的设置，当出现无人机悬停状态时多数是因为时间间隔设置过大，在确保重合度的情况下会有时间稳定姿态。第二，部分区块处理失败。解决方式：将失败的区块选中，重新提交任务即可。假如处理失败则不要急于重新提交，待全部数据处理结束后再重新提交处理失败的部分。第三，航线规划以及去除冗余航线，减少影像数据量。面对规则的建筑群要合理规划航线，当无人机以45°角对建筑进行斜角拍摄时，合理的拍摄角度为此次拍摄省去了俯拍的数据，减少数据量的同时还提升了拍摄相片的清晰度，增加建模精度，减少建模时间。对无人机调查拍摄区域调整最佳角度进行倾斜摄影可以减少模型的变形量[4]。

5 结束语

无人机摄影测量技术科学又实用，其获取数据信息及时又准确，在高边坡测量过程中也受益良多。时至今日无人机航测技术在各项测绘手段中算是成本最低、速度最快、精准度最高的一种。在对公路崩滑陡峭地段测量中十分受用，所取效益颇丰。既完成了传统测绘手段所完成不了的任务，还凸显出信息化测绘的特点，更助力于无人机测绘系统的未来发展。

参考文献：

[1]宋亮.无人机航测技术在农村地籍调查中的应用[J].北京测绘，2014（04）：96-98.

[2]吴霞.山地航空摄影像控点选择及要求[J].科技创新与应用，2016（25）：293-293.

[3]连镇华.无人机航摄相片倾角对立体高程扭曲的影响分析[J].地理空间信息，2010（01）：20-22.

[4]桑文刚，李娜，韩峰，等.小区域消费级无人机倾斜摄影像控点布设及建模精度研究[J].测绘通报，2019（10）：93-96.