無人機(jī)測(cè)土方量

1 引言

目前，對(duì)于高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取的渠道仍然局限于遙感衛(wèi)星影像、大飛機(jī)航拍等，造成數(shù)據(jù)重復(fù)采集，數(shù)據(jù)處理工作復(fù)雜，分辨率低，時(shí)效性和靈活性也遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空平臺(tái)。無人機(jī)遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化的特點(diǎn)，具有快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[1]。

相對(duì)于載人飛機(jī)和固定翼無人機(jī)航空攝影測(cè)量而言，多旋翼無人機(jī)更加機(jī)動(dòng)靈活，具有飛行可靠性高、安全性高、效率高、起飛和著陸場(chǎng)地要求低、操作簡(jiǎn)便、影像分辨率更高等特點(diǎn)，在天氣晴朗、風(fēng)力較小(5級(jí)以下)的情況下，可獲得精度更高的航攝數(shù)據(jù)，是小范圍航空攝影的發(fā)展重要趨勢(shì)。

2 多旋翼無人機(jī)測(cè)繪原理

2.1飛控平臺(tái)

多旋翼無人機(jī)作為一種微型飛行器，在飛行過程中不僅易受由身物理特性(空氣動(dòng)力特性、重力特性、陀螺效應(yīng)和旋翼慣量矩等)限制的影響，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾。因此，飛行控制技術(shù)對(duì)保證無人機(jī)穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。多旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)包括三大部分：姿態(tài)控制、位置控制和高度控制。姿態(tài)控制通過由陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)輸出的角速度、加速度、磁強(qiáng)信息融合得到的姿態(tài)估計(jì)而獲取反饋信息，并對(duì)反饋信息進(jìn)行計(jì)算輸出三個(gè)姿態(tài)控制參量，這三個(gè)控制參量與最終的轉(zhuǎn)速分配，直接影響著電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而完成無人機(jī)位置、姿態(tài)和速度的控制，通過GPS與光流傳感器獲取位置信息、速度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的位置控制。高度控制包括對(duì)無人機(jī)高度和爬升速度的控制，其通過GPS、超聲測(cè)距傳感器、加速度計(jì)、氣壓計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到的數(shù)據(jù)獲取高度反饋信息，通過高度反饋信息計(jì)算相應(yīng)的控制參量，將其輸入到轉(zhuǎn)速分配中，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的控制[2]。

2.2影像采集及處理

無人機(jī)影像采集根據(jù)任務(wù)的要求對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航線規(guī)劃(起降位置、飛行航線、重疊度、相機(jī)角度)，在航線規(guī)劃系統(tǒng)中將規(guī)劃好的航線上傳至遙感空中控制子系統(tǒng)。無人機(jī)地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃的航線控制無人機(jī)的飛行，遙感空中控制子系統(tǒng)則按照預(yù)設(shè)的航線和拍攝方式控制照相進(jìn)行拍攝。照相機(jī)將拍攝的影像及POS數(shù)據(jù)將自動(dòng)寫入到飛機(jī)存儲(chǔ)器中[3]。

3 Virtual Surveyor軟件體積計(jì)算原理及方法

Virtual Surveyor軟件(簡(jiǎn)稱VS軟件)是通過將數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)合并成一個(gè)三維立體模型并創(chuàng)建一個(gè)虛擬的環(huán)境來處理大量的無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)，利用模型信息融合生成綜合模型的方法，自動(dòng)化完整的展現(xiàn)出無人機(jī)成果所包含的全部信息，基于無人機(jī)處理后的真實(shí)數(shù)據(jù)，使信息可視化、可操作化，借助軟件進(jìn)一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和補(bǔ)充了地理空間信息生產(chǎn)。

利用VS軟件中的“體積計(jì)算”功能，將計(jì)算區(qū)域兩次測(cè)得的模型結(jié)果偏移至同一標(biāo)高，進(jìn)行兩次挖方計(jì)算，然后求差比較兩次挖方的差值，即為兩期間土方量的計(jì)算結(jié)果。

4 多旋翼無人機(jī)土方量測(cè)量外業(yè)案例

利用拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)對(duì)山西汾西正暉煤業(yè)有限公司昌元煤礦2號(hào)排土場(chǎng)間隔兩個(gè)月的排土量進(jìn)行量測(cè)。

4.1 拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

八旋翼無人機(jī)專為檢測(cè)和測(cè)繪應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用頂級(jí)的傳感器、自主減震、自動(dòng)補(bǔ)償相機(jī)支架等部件，搭載一架高清晰的RGB相機(jī)(索尼Alpha7R),適合需要采用高分辨率影像的小范圍測(cè)量、測(cè)圖、建模、繪圖和檢測(cè)項(xiàng)目。

表4.1 拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4.2確定作業(yè)區(qū)域坐標(biāo)

圖4.1 2017年9月30日2號(hào)排土場(chǎng)

圖4.2 2017年11月30日2號(hào)排土場(chǎng)

4.3布設(shè)并測(cè)量外業(yè)像控點(diǎn)

像控點(diǎn)是攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，其布設(shè)的精度和數(shù)量直接影響到航測(cè)數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇應(yīng)當(dāng)規(guī)范、精確：

①選擇像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇地形測(cè)量通視良好且可以明確辨認(rèn)的地物點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。

②布設(shè)的標(biāo)志應(yīng)對(duì)空視角好，避免被建筑物、樹木等遮擋。

③黑白反差不大，地物有陰影以及某些弧形地物不應(yīng)作為控制點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)。

本次飛行區(qū)域內(nèi)共布設(shè)6個(gè)像控點(diǎn)和4個(gè)檢核點(diǎn)，并采用西安80坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

4.4規(guī)劃飛行航線

飛行航線規(guī)劃的主要目標(biāo)是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境條件信息，綜合考慮無人機(jī)的性能、到達(dá)時(shí)間、耗能、威脅以及飛行區(qū)域等約束條件，利用AscTec Navigator軟件規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或次優(yōu)航線，保證無人機(jī)高效、快速地完成飛行任務(wù)。

圖4.1 AscTec Navigator軟件航線規(guī)劃

本區(qū)域長(zhǎng)350米，寬240米，兩次飛行共十條往返航線，飛行高度80米，航向重疊75%，旁向重疊60%，地面采樣間距11.18毫米，航拍照片數(shù)量384張。

4.5航空攝影測(cè)量

選擇能見度>3000米，風(fēng)力<5級(jí)的氣象條件執(zhí)行飛行航測(cè)任務(wù)。在航測(cè)過程中，全程監(jiān)控多旋翼無人機(jī)平臺(tái)的飛行軌跡、GPS信號(hào)強(qiáng)度、電量、高度、速度、姿態(tài)及其他參數(shù)，保證飛行的安全及數(shù)據(jù)的可靠性。

4.6內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

(1)利用Agisoft PhotoScan后處理軟件對(duì)兩次飛行任務(wù)航攝影像進(jìn)行照片對(duì)齊、刺點(diǎn)空三解算得出密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型及數(shù)字正射影像圖。經(jīng)檢查4個(gè)檢核點(diǎn)，平面和高程誤差均在2厘米以內(nèi)。

圖4.2 Agisoft PhotoScan軟件界面

(2)利用Virtual Surveyor軟件對(duì)DEM和DOM文件建立三維模型。

圖4.3 Virtual Surveyor軟件建立三維模型

(3)利用VS軟件中的計(jì)算體積功能，實(shí)地最低高程為1560m，將地形偏移水平面高程設(shè)置為1550m，進(jìn)行挖方“體積計(jì)算”，并“修改地形”。如下圖。

圖4.4 Virtual Surveyor進(jìn)行第一次挖方量計(jì)算

圖4.5 Virtual Surveyor軟件進(jìn)行第二次挖方量計(jì)算

(4)對(duì)兩次挖方量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

5 成果分析

航測(cè)外業(yè)和內(nèi)業(yè)計(jì)算兩個(gè)環(huán)節(jié)決定了多旋翼無人機(jī)測(cè)量工程方量的精度。航測(cè)的精度與光照、風(fēng)力、飛行重疊度、GPS信號(hào)強(qiáng)度、后處理軟件進(jìn)行空三加密處理的精度、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的位置選取、測(cè)點(diǎn)精度、人為刺點(diǎn)的精度、軟件處理質(zhì)量水平的高低等因素有關(guān)，航測(cè)外業(yè)的精度對(duì)最終結(jié)果的影響更大。

經(jīng)過實(shí)踐，在適當(dāng)?shù)臍庀髼l件下，多旋翼無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到所需的航測(cè)精度，本文案例已經(jīng)達(dá)到RTK產(chǎn)品的測(cè)量精度，滿足了工程方量計(jì)算的需要。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法采用人工測(cè)點(diǎn)，受地形限制，費(fèi)時(shí)耗力，風(fēng)險(xiǎn)高且難以獲取全面精確的數(shù)據(jù)，而利用無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)繪則有效地避免了上述問題。

6 結(jié)束語

利用VS軟件體積計(jì)算兩期土方量，要求至少有兩次以上的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)兩次以同一標(biāo)高為基準(zhǔn)，偏移地形求兩次填(挖)方差值算得兩期間工程方量。方量的計(jì)算精度取決于采集數(shù)據(jù)的精度和數(shù)據(jù)采集的密度。采集數(shù)據(jù)的過程一定要保證數(shù)據(jù)的精度和完整度，為計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

作為技術(shù)創(chuàng)新，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)有力地推動(dòng)了測(cè)量測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。加強(qiáng)無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的研究與應(yīng)用，是提高測(cè)繪效率的有效手段，有利于有關(guān)部門及時(shí)掌握所需動(dòng)態(tài)地理信息，促進(jìn)創(chuàng)新測(cè)繪服務(wù)模式，積極推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息化，從而保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康快速地發(fā)展。