论无人机在地形测绘工程中的应用

论无人机在地形测绘工程中的应用摘要:测绘行业发展迅速，面临的挑战难度越来越大。传统测量技术已经难以满足目前社会生产需求，随着越来越多异形建筑出现，对未知地域的不断探索，越发需要科技含量更高、更先进的测绘技术来完成测量任务。测绘学科与其他专业的结合也诞生出了许多新式的测绘技术、测绘设备，无人机便是其中最具特色的一个。其利用摄影测量原理，将摄像头与感应器固定于机体底部，利用微处理器控制自动化工作系统，解放了人力的同时，大大提高了测绘工作的效率。基于此，本文重点讨论关于无人机在地形测绘工程中的具体应用。关键词:无人机；地形测绘工程；应用引言:如今社会各行各业都开始出现互相结合的现象，很多行业中都出现了测绘的身影，普通的施工项目中，测绘技术发展迅速，设备仪器已经经过了很多次更新换代。在一些与测绘行业相关性较小的行业，因为测绘技术测量精度的提高，这些行业中也出现了测绘技术的应用，如在工厂车间的设备安装，需要高精度的测量数据保证安装的精密性，除此之外，还有许多实例。测绘行业也在与其他领域相融合，专家们发现，发展到一定的高度时，测绘自身所拥有的技术便会无法突破瓶颈，必须与其他学科相结合才可以突破出现的瓶颈，并且以后学科与学科之间联系紧密是大势所趋，单一的学科知识已经无法满足社会生产需求，基于此，无人机测绘技术就被创造了出来。一、无人机在地形测绘中的应用场景无人机测绘打破了传统测绘的地面局限性，通过高空俯视的方式测量地形图。这是测绘与计算机、航空、互联网等科技含量较高的学科的结合，无人机测绘技术伴随着复杂地形测绘难以开展等问题被创造出来。无人机测绘主要利用高空摄影、高空中传感器接收反馈地形信息等技术，适用于地形起伏度较大、地面视野通透性不好、测量面积大等测绘任务。相比传统测绘技术，无人机测绘技术还具有工作效率高、减少对于人力的过度依赖、成本低投入少等优点，因此无人机测绘已经应用于很多场景测量中。一些地面工程开工前，需要施工区域及附近区域的地形图。一是为了根据地形图设计施工方案，二是考虑施工区域的改变对周围区域的影响，采取必要预防措施。在树木多生地区，树木会阻碍测量视线，且树木生长迅速，现有地形图并不能完全符合实际地形，因此需要在已有地形图的基础上测量[1]。对于一些建筑物的判断预测，仅靠人眼观察无法得出准确的判断，无人机测绘可以替代人眼观测出准确的数据。无人机通过搭载的高清相机及感应器，将测量得到的测量图像以电子信号的方式传递给控制台，供给工作人员参考。无人机测绘除了在测绘施工中应用外，现在已经熟练应用于救灾防灾方面。在自然灾害与人为灾害防治中都发挥了重要的作用，既可以观测灾情下的地势地形，给地面救援队伍做出指导，还可以携带救援设备，实施远程高中救援，第一时间到达灾情现场。例如，在此次东航MU5735坠机事件后续搜寻过程中，无人机发挥了非常重要的作用。在前期搜寻过程中，应急指挥部派遣了技术人员协助政府调查，使用了无人机技术。在视频中可以看到无人机传回的画面是以红外感应、拍摄照片两种方式展示出来，红外感应是确定有无生命迹象，照片是给搜寻队伍提供地形图，为其指引方向。央视新闻事故报道中介绍了飞机坠毁地区的地形十分复杂，树木多生，多梯田……搜寻工作开展难度十分大，同时伴随着天气情况不太友好，搜救队伍很难进入到事故地。这从侧面印证了无人机在地形测绘中已经发挥出了很好的作用，其可以轻松应对各种地形，测量时可以及时传送回数据、图片。搜救队伍得到地形图后，根据地形地势走向及实际林木分布情况与图上比较，推断出了飞机坠落的地方，为后续工作指明了方向。这展示了无人机在地形测绘中可以无视地形限制，工作效率高，局限性小，具有数据时效性高、操作方便等优点，同时无人机测绘技术还有很多待发掘的功能。二、无人机原理1.硬件系统无人机硬件系统主要由两部分组成。第一部分是飞机平台，飞行平台包括机身，涵盖机体、操控系统、摄影系统、信息传输等部分。机体包括飞行器装置、动力装置、飞行控制系统、GPS导航系统、传感器、其他配件等部分。通常，测绘无人机机翼长约2m，主体由碳纤维组成，其余部分由木材、玻璃纤维或航空用材填充，这样做的目的是控制无人机重量，延长无人机空中使用时间。使用汽油作为动力来源的无人机时速可以达到100km/小时，采用电力为能量来源的无人机可以达到70km/小时，使用者可以根据具体需要选择合适的动力系统。其他配置则基本相同，主要参考预算选择。第二部分便是地面站。地面站主要包括操控台、控制无人机的各项参数、及时接收无人机传送回的信息、修正无人机的飞行姿态等功能。除此之外还包括三大系统。一是监控系统，主要负责实时监控无人机的各项飞行数据、飞行轨迹，确保无人机可以正常开展测绘工作。二是通讯系统，其并不是人与人的通讯，而是测量工作人员与无人机进行通讯，工作人员在地面站接收无人机反馈回来的信息，给无人机发送任务指令。三是任务系统，内置于无人机处理器中，无人机将接收到的任务指令整合，分出优先测量的顺序与最佳测量方案，以保证测绘工作有序、高效的进行。2.无人机工作流程测绘无人机工作流程与普通无人机大致相同，只是多了测绘功能。其工作流程分为三步。第一步，前期规划[2]。对现场进行大致勘测后，选择最佳策划方案，设计最佳路线，使测量作业有序进行。第二步，外业测绘。包含无人机起飞、收回、地面操控、机体组装等方面，这一步主要是普通无人机的主要工作流程，如果懂普通无人机，操作这一步便可以轻松自如。第三步，数据处理。主要是将无人机传送回的数据进行处理，舍弃一些误差太大的数据，借助空中三角测量建立模型，代入数据处理影像信息，之后通过各种处理手段，得到最终所需要的、可以使用的数据。三、无人机测量应用方面的优势1.测量结果辨识度较高无人机测量提高了地形测量水平，同时无人机测量结果具有较强的辨识性，一般多以影像图片为主。无人机上搭载有专业的测量相机，可以在相片上标出特定的地形数据，相比绘制的地形图，无人机测量影像清晰，地形细节较完善，时效性很强，具有特别明显的辨识度。2.测量灵活性高对于复杂地形，无人机测量可以一定程度上减少测量难度，降低测量工作强度，将二维平面测量提升至三维空间测量。相比传统测量技术，无人机测量减少了一些工序，测量结果更加精确、时效性更高。同时无人机测量大大减少了地形限制，与传统的摄影测量技术相比，无人机操作简便，灵活性高，减少了对于测量员的依赖性，同时在一定程度上保护了测量人员的人身安全。例如，笔者曾在陕北地区参与过地形测量，外业测量工作人员需要根据地形点卫星图完成区域摄影测量，很多地方地势险峻，人力难以到达，但还需要测量。测量过程中修建的道路很少，只能根据卫星地图判断出前进路线，且大多数地方没有网络信号和卫星定位信号，具有一定的危险性。假如使用无人机代替人力，提高工作效率、数据准确率的同时，人身安全得到了保证，特别是对区域面积在100平方千米以上时，使用无人机与移动载具可以非常快速的完成测量任务，保证工程可以按时完成。对于一些地形起伏特别大，坡度超过60度甚至接近于垂直的地形，无人机可以完全取代人力，工作人员只需在地面上操作无人机进行测量，避免了将测量人员置于危险之中。3.测量成本较低相比于其他测量技术所需要的专业设备，无人机测量设备成本较低，地面测量设备价格的通常较高，这主要因为测量设备制造技术由外国掌握，我国测量起步较晚，在这方面缺少经验。而无人机技术我国处于领先地位，因此我国的专业测量无人机造价较低，且数据精度较高。无人机主要由高分子材料制造，使用年限较长，但在各种恶劣气候条件中受影响较大，这点还需要改进。除此之外，无人机配件的发展，也使得无人机维修更加简便、更加实用，因此，大量测量单位已经引进了无人机测量技术。4.无人机对操作人员要求较低传统摄影测量需要配备专业的飞机驾驶员，对比之下，无人机培训周期较短，一般在一周至半个月，之后便可以熟练使用无人机在各种地形中测量[3]。无人机的飞行高度一般在几十米至几百米之间，与摄影测量相比，相片分辨率更高，申请空域便捷；与航天遥感技术相比，消除了云层、地面与航空钟差、大气折射的影响，性价比更高，同时无人机还可以搭载各种类型的传感器，可以满足各种测量需要。例如，无人机可以用于防灾救灾与地面监测等，在小雨、微风等天气条件下依然可以正常使用，且保持较高的数据精度。除此之外，无人机可以通过多角度测量建立3D测量模型，这是其他测量技术所不具备的。无人机测量技术是摄影测量的简化，是测绘与现代学科的结合，打破了传统测绘思维局限，将地面观测改变为高空观测，其相比传统测绘技术在许多方面拥有优势。随着无人机测绘技术的发展，无人机已经应用于各种测绘领域中了，开启了新的技术革新。四、无人机地形测绘中应用分析1.规划路线与测量范围无人机持续工作时间较短，一般在一个小时左右。因此，在无人机开机之前，需要规划设计好测量路线，划定测量范围，提高工作效率，将一小时的使用时间发挥到极致。同时，还要提前了解测量范围内的大致地形及障碍物分布，避免无人机低空飞行时撞击，保证无人机的正常使用。2.所得数据处理利用无人机测量得到的点云数据是高层数据，做好数据滤波的同时，还要去除影响数据的点云[4]。LidarModel模板操作性简便，可以实现数据滤波，然后将处理后的点云数据转换为网格数据，之后通过软件处理得到测量区域地形模型。3.低空作业处理在低空测量中，无人机受树木丛林、复杂山体影响较大。一是视线受限，无法按时完成测量任务；另一方面则是无人机飞行速度较快，对自动避障功能要求较高，若无人机无法及时避开障碍，极大可能会产生撞击。因此，在复杂地形测量中应该提前了解障碍物，降低飞行速度，避免无人机受到撞击伤害。除此之外，无人机测量技术还可以结合遥感技术应用于其他测绘领域中，如局部环境测绘、城市测绘、应急测绘等方面，利用低速巡航技术实现某一方面需求。4.空中三角测量应用开展空中测量主要有这些步骤。①依靠无人机搭载的微处理器实现空中加密；②对目标三角点进行测量；③对空中三角进行加密测量。第一步主要是对地面凸起先展开测量，使用空中定位的方法[5]。根据实际地形如山体、山谷、河道等，设置高度差值，以此保证无人机工作稳定性。对一些坡度起伏较大的区域，还要采取添加加密点数量的方式提高测量精度，需要注意要尽量将添加加密点数量控制在两个左右。对无边缘自由规划测量区域，需要有效加密测区控制点。5.补测无人机飞行速度较快，有时会出现拍摄时对焦不准、影像模糊、数据质量有问题或偏差较大的状况，这时候便需要进行补测，完善地图模糊区域，提高数据质量。补测过程中，工作人员同样要规划测量路线，减少盲点的影响。对于一些大面积覆盖干扰物，妨碍无人机测量的状况，只能使用人工进行测绘，相比于无人机测绘，人为测绘易出现数据错误，且误差较大，数据精度往往较低。6.绘制地图利用计算机处理无人机传回的信息，建立对应的模型，使用三角测量系统，将测量数据带入，这样可以得到核线影像，之后对图像进行编号，通过各项数据对比确定最终结果。需要注意的是，在绘制地图中，对一些特殊地点应采用放大字体的方式进行重点标注，注意突出地图的真实性，按需求制作地图。7.突发状况处理外业测绘作业往往伴随有许多突发状况，因此工作人员需要提前准备应对可能出现的突发状况[6]。如天气突然变化，影响无人机飞行姿态，测量工作人员需要有足够的经验应对各种突发状况，同时测量人员还要有测量所在区域的村民联系方式、救援电话，以应对突发情况。同时无人机测绘中还可以融入其他测绘技术，如遥感技术、遥感技术，辅助开展测量任务，获取更加准确的信息，保证测量任务可以按时完成。目前已经流传的地图中，很多便是通过这种测量方式制作而来的。无人机测量得到的地图相比传统制作而来的地形图更加直观，视觉效果更佳，时效较新，且制作容易，经济消耗小，因此大受欢迎。五、结束语目前无人机测量发展迅速，已经得到广泛应用，提高了测量精度与数据准确度，但同时还存在一些不足，有待改进。本文主要分析了无人机测量在地形测绘工程中的应用，从多方面进行论述。第一部分，分析了无人机在地形测绘中的应用场景，分析了无人机测量技术相比传统测绘技术具有的优势，并具体深入分析了前段时间东航MU5735坠机事件中无人机发挥的作用，简单论述了无人机测量的优点。第二部分分析了无人机原理，从无人机工作流程和硬件系统两方面展开论述，旨在帮助读者理解无人机工作原理，可以更好的开展无人机测量任务。第三部分，主要探讨无人机测量应用方面的优势，分四点进行讨论。分析了对于测量员的要求，经济性较好，测量灵活度高。第四部分，围绕无人机地形测绘中应用展开，从准备工作到绘制地图，分析了无人机使用步骤及部分细节问题，最后阐述了无人机测量结果投入使用产生的影响。综上，无人机的应用前景十分广泛，提升空间巨大。希望本文可以给读者提供一定的参考价值。参考文献:[1]孙芹芹，张加晋，姬厚德，罗美雪，杨顺良.基于卫星和无人机的后石电厂温排水分布研究[J].应用海洋学学报，2020,39(2)：261-265.[2]何先宁.无人机航空摄影测量技术在地形测