小型无人机航测技术在土地测绘中的应用

刘志强，王金星

（南阳高新区大地测绘有限公司，河南 南阳 473000）

土地是众多经济作物以及动物赖以生存的重要场所，众所周知，世界范围内3/10面积为土壤面积，剩余为海洋水体面积，可供给人类使用的面积少之又少，所以探寻土壤面积、土壤成分以及土壤环境对建筑工业、生态保护等第一产业来说至关重要。同时国土面积对于任何一个国家来说都是弥足珍贵的战略资源，只有熟知既有的土地面积以及土地资源才能制定未来发展目标，为群众创造更为美好的明天提供必要基础。传统以卫星探测为主的土地测绘系统不但需要漫长的开发过程，同时由于其轨道位置处于地球外侧，卫星探测时会受到大气以及云层等干扰，测量不准确的情况时有发生。而无人机技术以及制造装备生产线的普及让测绘变得更加唾手可得，技术人员在考虑无人机飞行执照后就可在任意时间、任意地点进行飞行测试来量取目的土地测绘数据以提供后续计算和综合利用。

1 测绘仪器的发展历程

1.1 罗盘仪以及平板仪传统测绘历程

从本质上说测绘技术的发展就是测绘仪器的发展，土地数据具有多元性和复杂性，精确易上手的土地测绘仪器会让测绘工作事半功倍，提升测定的稳定性以及测定效率。受限于技术，新中国成立后一段时间内，我国商用和科研用地测绘大多依赖罗盘仪以及平板仪进行土地面积测定。对于平原地区，罗盘仪和平板仪会发挥正常效用，精准度可以媲美当今高科技、高效能测绘设备，但在地形错综复杂的山川地区以及有效海拔高度不一的盆地地区，两者无法进行高效精确测量，而导致使用局限性的本质因素利用仪器进行空间建模时，无法进行纵向高度的准确定位。通过视距法进行高度示数读取时，其本身存在一定误差，但通过凸透镜将误差示数进一步放大，导致测量结果与实际结果南辕北辙，此类情况尤为出现在对大面积土地测绘时，由于边界的不均匀特性以及面积不可预估性，即使是出现误差，纵然经验丰富的测绘员也无法第一时间根据测量结果发现。同时罗盘仪和平板仪在工作时往往需要4人进行协同配合，工作人员不但要承担设备的搬运工作，同时还要负责对设备的收纳支撑，体力工作量大于技术工作，为工作人员增加负担，测绘回报率无法与投入率成正比。

1.2 光电测距技术以及光电测角技术

测绘工具发生显著改变在20世纪80年代，光学经纬仪逐渐成为土地测绘人员手中的测量利器，与罗盘仪和平板仪相比，光学经纬在测量准确性方面提升显著，同时联动性提升测定效率，但从本质上说光学经纬仪测量理论基础和测量方法依然与罗盘仪及平板仪大抵相同。然而光学经纬仪并不像罗盘仪那样占据我国土地测绘领域超过30余年时间，在光学经纬仪出现的10年后，全站仪的出现逐渐替代了前面出现的两种设备，它的出现是广电测量的技术蓬勃发展的结果，颠覆了传统测量技术，迅速占领我国土地测绘各级市场，从根本上说，20世纪90年代出现的全站仪被世界测绘协会评为具有真正意义上的数字化测绘设备，从此与土地测绘相关的技术和动态数据可以实时遥感在技术人员身边的显示器中。初期由于技术不够成熟，其价格相对昂贵，大多测量机构采用全站仪协同于传统测绘仪进行综合性测绘，但随着测绘市场的蛋糕越做越大，更多科研机构加入到对全站仪的研发工作内，全站仪的价格随之降低，成为了特定时代下测绘常规设备。软件公司竞相与全站仪开发软件，三维激光扫描仪、点云模拟软件、三维建模软件以及车载移动测定平台相继出现，为导航软件出现奠定基础，同一时期，在大中型城市，更多经过技术改造的测绘车奔波于城市和乡镇之间为后台数据终端传输动态信号，为构建实时性动态性道路和地形关系网贡献力量，同时大型矿山测定、地下工程综合测绘工作徐徐开展，依托于全站仪技术工程建造行业也迎来了发展的春风。

1.3 全球导航卫星系统实时动态差分技术测定法

全站仪的出现开启了土地测绘的数字化测量的新篇章，但受限于测定基准点依然是众多点云数据在空间的相对位置，与平板仪和罗盘仪相比，测定更为准确，但对于大面积及复杂地形测绘工作依然需超过3人进行综合性协同工，工作人员工作量依然很大，无法将测量效率提升至技术人员的预期。21世纪是太空探索的世纪，也是自动化技术蓬勃发展的时代契机，更多国家试图向地球同步卫星轨道发射具有测定效能的卫星，以贴近国家对土地、天气等重大战略数据的测定需求。

无线电波信号和光学信号的协同性发展催生了卫星定位差分技术登上了历史舞台，由于采用电磁反射信号传播及转译，传统光学设备利用反射以及透视的方式逐渐被淘汰，纵然在地形更为复杂、土地面积更大的目标测定区域，依然可实现单兵测绘。卫星定位差分技术法的主要工作原理是利用全球导航卫星系统（GNSS）静态测量布设一级（首级）控制点，与现在所用的全球实时定位卫星系统（GPS）不同，测定无需严格意义上的动态性，测定点处于相对静止的状态。在首级控制点确定完毕后，利用动态差分技术进行对图根控制与测量，最终利用全站仪进行碎步化测量，以达成测量精度较高的综合性测定成果。而伴随着网络信号的普及以及数据信号传输速度得到了明显提升，连续运行参考站系统成为动态差分测量技术的主流测量模式。国家测绘部门根据发展现状创建了全国卫星导航定位基准服务系统和千寻系统，以北斗卫星做重要基础设备，兼容世界排名前几位的GPS、GLONASS和伽利略是卫星信号，可提供精确至厘米级的土地测绘工作，兼顾于500倍动态缩放大比例尺是的测绘与使用要求。如今以全站仪为重要计算工具的全球导航卫星系统实时动态分差技术测定法如今俨然变成了土地测绘工作广泛使用的技术方法，为后续超高清、广色域土地测绘技术的迭代提供必要的技术性基础和专业级导向。

2 无人机航测技术的发展与应用

2.1 无人机航测技术出现的历史背景

如今依托于全球导航卫星系统实时动态差分技术测定法技术与全站仪协同性使用的土地测绘技术得到广泛应用，但对于城市楼群密度较大、土地覆盖物分布较为密集地区，此种测绘模式依然存在一定局限性，例如在地形测量时，测绘人员应进行全区域无差别测量，最终提取出目标中心区域，受限于步骤的繁琐性，重要碎布点会被遗漏，同时全站仪的运算能力有限，在大批量计算时，会选择性忽略部分点云数据，此种工作特性不利于精确测量工作的进行。同时在森林覆盖区域，水域反射比较大的区域卫星信号会针对性被缩减以及隔离，导致土地测绘任务无法正常进行。在土地测绘标准与需求日益提升的今天，土地测绘设备与技术应具有全功能性兼并精确性，因此机动性强、可控性高的无人机航测技术得到了土地测绘工作爱好者的喜爱与追捧。相关技术人员通过采购大疆无人机，通过软件加持利用无人机内部数据寄存器和运算器来协同处理内部数据，以达到实时性动态性数据检测目标。

2.2 无人机航测技术发展及应用

我国无人机发展始于20世纪60年代，此时无人机专向应用于军事领域，随着技术的发展以及民用资本的不断积累，20世纪80年代处于经济发展活跃地区的技术型企业加大对民用无人机的开发。无人机航测技术得到广泛应用的历史时刻是2008年汶川大地震，突如其来的地震，一时间将所有无线电信号全部切断，国家测绘部门协同于网络信号架构部门迅速部署，通过临时搭建的信号发射塔，将飞机进行悬飞指令设定，第一时间将动态性土地测绘信号回传至终端救援中心，而此时使用的无人飞机正是具有中国自主产权技术的大疆无人机。从此无人机被测绘人员抢购，一时间无人机供不应求，国家针对无人机销量的飞升制定了无人机飞行驾驶资格考试科目设定，规范无人机遥控操作驾驶。受限于21世纪初期的影像分辨率以及传输速度等多方面影响，初代大疆无人机存在拍摄重叠、信号更新存在延迟等情况。但随着大疆等一批先进的无人机制造公司加强对信号建设以及影像合成系统的大力研发，将位置信号更新存在延迟等问题解决，使无人机在房屋区域测量、自然灾害动态监测领域广泛应用，成为了国家指定测绘机构战略合作伙伴。

3 小型旋翼无人机航测工作流程

3.1 工作流程概述

目前国内制造小型旋翼无人机功能强大、接口丰富的无人机制造公司非大疆莫属，以大疆精灵4RTK版本无人机为例对小型旋翼无人机航测工作流程进行介绍，其中影像处理程序软件选用业界常用的ContextCapture，整个流程分为五大步骤，分别为航测准备工作、航线线路规划、相机参数设置、航拍作业进行以及后续影像处理工作，其中步骤较为繁琐的测绘进程主要是航线规划以及影像处理工作，其余三过程的熟练操作只是时间上的问题，并非技术性难题，如下将分类分步骤对每一工作进程进行细致分析。

3.2 航测准备工作布局

航测准备工作是无人机到达目的测绘区之前的准备工作，由于大疆小型旋翼无人机几乎都采用电池供电，并非汽油等化石能源功能，所以进行电池充电准备尤为重要，受限于电池容量以及续航能力限制，大疆小型旋翼无人机单次测绘时间在20分钟左右，电池充电需一小时，所以配备三块以上电池可实现长时间测绘工作需求。电池使用时间同样受到气候、风力条件等多方面影响，在测定时应做到随用随充，以保证电池电量充足。为了根据地图路线进行多元探测工作，应根据主流地图软件定位精确测定区域，将地图地标kml文件通过OTG或无线信号传输方式移接至遥控器内部，根据内部转码器可为设定路线进行综合性铺垫。与手动测绘模式相比，导入kml文件模式范围更加精确，同时系统内部也可根据预设好系统程序进行测绘规划，以达成高精度、高质量成型的测绘需求。

3.3 航线规划工作

在小型旋翼无人机动力逐渐提升的今天，无人机的有效飞行高度日益攀升，严重干扰了民航客机以及军用飞机的正常使用，为了保证航空飞行器的安全，国家在全国范围内设置了禁飞区与限飞区，为的就是约束飞行人行为，确保飞行工作开展有序性与科学性。在对航线进行规划工作前，准备信号良好的上网卡尤为重要，其不但可提供给无人机实时性动态性定位功能，同时可保障RTK获取固定解。在路线规划时，有效设定最低高度，是绕开高耸建筑物的有效针对性解决方法，确保无人机整体结构安全的前提下开展测绘工作。

例如在对川渝地区测定时，通过地图导入以及3D模型构建方式对路线进行规划将有助于小型旋翼无人机测定程序化、系统化，在立交桥与建筑物之间穿梭同时保证测绘准确性。

3.4 相机参数调整

相机参数调整是经验型工作，调整的目的是为了获取更为清晰的航测图片，通常小型旋翼无人机内部摄影机构都预置AI拍摄模式，但此模式具有一定局限性，所以在小型旋翼无人机起飞前进行默认设定，功能设定时选择拍摄完毕后自动返回，云台角度拍摄选择正向-90°，以获取最大效果，同时关闭畸变修正功能，以发挥照相机构的全域构图能力。同时，预设图片比例、根据测绘元素颜色进行曝光光圈ISO设置，以达成对测绘元素动态捕捉。

3.5 航拍作业

测绘人员首先应取得相应无人机驾驶许可，以能熟练控制无人机俯仰、侧倾情况，飞行时应有效预判电池电量，一旦系统计算电池电量较低应立刻返航时，应及时同意此指令操作。航拍作业期间应注重天气变化，一旦出现雷雨天气应立刻返航，及时停止测绘工作保证无人机整体结构安全可靠，避免受到雷击。对于细节较强区域拍摄应采用多回路、多重拍摄方法进行往返拍摄，以达到最终拍摄效果为目的。

3.6 影像处理工作

当飞行任务结束后，可通过取出机身内部储存卡的方式进行摄影文件读取，对于录制视频应注重对视频帧率检查，对于相片检查时，应特别注重照片上部POS信息与空间位置信息是否一致，在影像标记控制点进行初次空三解算，获取控制点的大致位置，通过协同相控点来完成基部控制点完善工作。

4 总结

小型旋翼无人机航测技术在土地测绘领域应用广泛，但在使用时应注重与全站仪的协同性计算工作，在正常测绘作业开展前进行充足及完善的航测作业准备工作、航线规划工作、根据测绘员的工作经验进行照相机参数设置调节，通过航拍作业来进行最终影像处理工作，以实现高效、高质量土地测绘工作，为保证国家整体国土安全提供必要基础性保障。