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无人机测绘分析:脚步丈量能否被“无情”取代
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日期:2017-05-02 08:52:02来源:物联中国 点击:523
核心提示:随着空间技术、计算机技术和信息技术的发展,人类实现了从空中和太空中观测地球的理想,遥感正是实现这一理想的利器。通过有人飞机航空遥感

       随着空间技术、计算机技术和信息技术的发展,人类实现了从空中和太空中观测地球的理想,遥感正是实现这一理想的利器。通过有人飞机航空遥感和卫星遥感的方式,获取地球表面的信息,不仅成本昂贵,也受到回归周期、高度等因素的限制,遥感数据的实时性难以保障。

       无人机技术正好成为卫星和有人机获取手段的有效补充,一方面,无人机飞行高度低、分辨率高,可以长时间对感兴趣的地区进行“凝视”性观测;另一方面,无人机没有人员伤亡危险,操作灵活,对环境要求低,甚至可以在危险环境中完成任务。因此,在航空遥感领域,无人机异军突起,颇受关注。

       国情普查——用脚步丈量土地

       测绘作为一项古老的行业,最开始就是个苦活累活,测绘基本可以分为:外业测量和内业绘图。而外业测量,通常是按照传统的测量方式——用脚步丈量土地,到底有多苦有多累,国情普查的普查员最有发言权。

       2013年,我国开始了全国第一次地理国情普查,普查于2015年结束,历时3年。普查员在这期间的工作量,每人每天要核查7-8平方公里地域。常规外业核查方式一般采用步行或骑电瓶车,手持电子平板和纸图进行核查。遇到山区或者地形复杂的核查区域,全靠两条腿。

       普查员需要背着全站仪,认真地核对卫星影像图上的一个个小图斑,看到不准确的地方,马上标注并修正。“这样的方法速度慢、效率低,通常一幅图要花5、6天。”

       普查员在外业作业时,最主要的工作就是不停地走、不停地核对,手上的轨迹仪,每15秒钟打一个点,记录下每天的行进路程。绝无偷懒的机会。

       这份苦不是一般人能受的,宇辰网记者也接触过不少测绘专业的毕业生,女生很少有出外业的,这种体力活儿男孩子也常常吃不消。参与过第一次国情普查的普查员说,有新来的小伙子刚跑两天就累倒了,合理分配体力是很重要的。

       正是由于国情外业核查工作如此辛苦,所以才有无人机测绘的简便易行。

       同样是在第一次国情普查期间,海南部分地区就采用了无人机航测。国家测绘地理信息局第四航测遥感院利用无人机对海南万宁、兴隆变化较大的地区进行航拍,航摄面积约24平方千米,获取0.1米分辨率原始像片2860张,并制作完成0.1米正射影像拼接图。影像成果直接提供给地理国情外业队使用,用于海南万宁、兴隆地区外业新增补测工作。

       同样,山东省也启用了无人机进行航测。济南市勘测院受山东省第一次全国地理国情普查领导小组委托,承担了济南市地理国情普查的生产任务。

       济南市勘测院工作人员使用了两款无人机航测无人机,目前有固定翼和旋翼两款无人机,用无人机对工作人员难以到达的偏僻山区进行高清拍摄。

       在航测中,充分发挥无人机的作业优势,实现内外有效结合,低空航测和地面外业调绘优势互补,有效提高国情外业调绘工作效率,缩短了外业作业时间,为国情普查工作的顺利完成打下坚实基础。

       固定翼与旋翼在测绘上的应用各有侧重

       上文刚提到目前测绘无人机有固定翼和旋翼之分,那这两者有什么共通的地方和区别呢?

       先来说说相同之处,一套典型的无人机测绘系统至少应该包括无人机平台、地面控制子系统、任务载荷子系统、数据链路子系统以及影像数据处理与测绘成果制作子系统五部分组成。

       在起飞前,都应该关注作业区域的环境,收集相关地形图等资料,了解作业区域地形、气象条件以及起降场等情况。

       检查飞机状态,需对飞机姿态、角度进行调整,以确保飞机准确通讯。无人机机体内都配备有电子罗盘,磁校准等设备来确保飞机在飞行过程中的自我姿态控制。

       飞机放飞后该对飞机进行飞行监测,主要做三个工作:对航高、航速、飞行轨迹的监测;对发动机转速和空速、地速进行监控;随时检查照片拍摄数量。

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       正摄影像/图 来源埃洛克

       据埃洛克飞控算法专家王谦介绍,空气质量与航高息息相关,航高越高,对颗粒物、水汽条件的要求就越严格。由于无人机大多在云层下方进行作业,所以云层厚薄与航测的关系还不是那么大。

       执行回测任务的无人机在性能上还有诸多要求,相对航高一般不超过1500米,续航时间大于1.5小时,能在4级风的情况下安全飞行等。

       针对有人指出无人机测绘不能进行大比例尺,比如1:500的航测任务,王谦表示其实无人机已经可以实现大比例尺的测绘了,“目前很多人使用的索尼黑卡4200万像素相机,飞200米的高度足够实现1:500的分辨率,另外多加一些地面控制点就可以使精度达到要求。”

       针对固定翼和旋翼机哪一种更适合做测绘,王谦也给出了自己的看法。他认为,固定翼的优势是速度快,续航时间长,所以适合较大面积测绘,包括正射影像和倾斜摄影。大型固定翼可以做上百平方公里以上的测绘,不过需要跑道起降,对场地有一定的要求。小型固定翼可以做几到几十平方公里的测绘,优势就是可以不需要跑道,弹射起飞,回收时采用伞降。

       而多旋翼优势是飞行稳定,可以悬停,速度可快可慢,而且在倾斜摄影时更方便采集各角度的图像,所以在小范围测绘或倾斜摄影方面比较合适,但电动旋翼的通病就是续航时间短。

       综合起来就是较大面积正射(几十平方公里以上),基本上是固定翼最合适,中等面积(几平方公里)的正射用小型固定翼稍微比多旋翼合适,体积稍大的多旋翼也可以。

       目前,测绘行业更多的是固定翼,大概70%的航测任务都是固定翼完成的。但倾斜摄影还是可以考虑多旋翼,尤其几平方公里的倾斜摄影要根据场景确定用哪种平台,小范围的就是多旋翼更合适了。

       关于作业环境的要求,王谦认为,在用固定翼进行测绘时,抗风要求跟飞行平台抗风性能和测绘相机的云台性能有关,不同飞机限制不同。目前市面上大部分测绘无人机都能满足4级左右的风力,甚至还有能抗6级风的。

       由于无人机航测需要获取多角度的数据,这就注定了测绘无人机不能像物流无人机设计的一样,从A点到B点就结束飞行。无人机的航线需要认真规划。

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       航测轨迹/图 来自埃洛克

       以上说的都是和外业相关的内容,但别忘了测绘还有内业。所谓“外业”,就是外出作业,拿着内业初判出来的影像图,通过走访实地核查、改正;而“内业”,就是通过卫星或航拍获得基础影像图后,用专业知识和技术判读、描绘出所属区块。

       数据收集之后……

       数据本身没有意义,经过处理、加工、提炼的信息才有意义。

       无人机测绘得到的数据首先是影像,获取影像的方法有很多,目前无人机主要是两种:正射和倾斜摄影。

       当高空拍摄,中心投影光线近似的被认为平行时,当地物高低差别引起的正射化投影误差可被忽略时,对影像可进行正射化处理,因为还可能有倾斜角变形。近景摄影测量的任意角度拍摄中存在的问题是遮挡,航空摄影测量也有这个问题。有了同方向倾斜像对,可以形成地物侧面的前方交会测量数据,倾斜摄影是多角度摄影的一类方法,为了获得除了顶部外的更多地物不同侧面进行的相机阵列组合中的相机姿态调整,目的是立体像对同名点无死角。

       倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像,将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。

       目前,无人机尚不能完全取代人工作业,但无人机的技术进步已经可以互相补充了。以智慧城市建设航测为例,在进行道路及下水道规划时,使用无人机对道路上的井盖进行正摄影像数据采集,由于部分井盖处于城市建筑角落里、阴影里,大概可以采集到70%,剩下的部分只能依靠人工的脚步测量。但随着无人机技术的快速发展,多角度航测的倾斜摄影目前已经在很大程度上弥补了正摄影像技术的不足。

       无人机可以通过遥感软件对数据进行聚类分析等处理,能快速有效的提取所需要的信息,利用软件对影像进行栅格矢量化,可以快速得出该地区矢量图。比如,需要计算测绘地区的耕地面积,利用信息提取,辅助高分辨影像和丰富纹理特征,能够快速计算出该地区准确的耕地面积,能够节省大量的人力和时间。

       无人机影像获取周期短,时效性强,有利于快速得到影像,便于快速及时有效的统计面积。目前而言,尽管无人机已经部分应用于遥感测绘各行业,由于图片获取及处理技术尚未完全成熟,目前尚不能完全取代传统的“脚步丈量”。但无人机测绘已经能成为卫星和有人机获取遥感数据手段的有效补充了。随着无人机测绘技术的进步,未来无人机一定会逐步取代费时费力的脚步丈量。

出处:物联中国
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