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无人机倾斜摄影技术在高边坡测量中的应用研究

发表时间：2020/6/12 来源：《基层建设》2020年第6期作者：崔振龙

[导读] 摘要：现当今，随着我国经济的快速发展，我国在无人机技术和数字摄影测量技术方面不断取得的进步，我国对无人机航测技术也正式进入到了实用化阶段。

        辽宁省有色地质一〇一队有限责任公司辽宁抚顺 113000
        摘要：现当今，随着我国经济的快速发展，我国在无人机技术和数字摄影测量技术方面不断取得的进步，我国对无人机航测技术也正式进入到了实用化阶段。无人机航拍技术主要是利用无人机搭载低空多角度全方位摄像头对地面进行立体观测，获取影像数据，基于这些数据利用数学建模的算法快速生成各种地理信息和长、宽、高等参数，实现三维地形信息的测绘和影像模型的生成，具有操作简单、数据准确、节省人工投入、节约资金等优点。
        关键词：无人机;倾斜摄影技术;高边坡测量;应用
        引言
        随着科技的发展，高边坡外业测量方法日新月异。无人机倾斜摄影技术以其特有的优势在公路、铁路、建筑等行业中得到广泛的应用。文章将无人机倾斜摄影技术应用于工程高边坡外业测量工作中，并与传统外业测量方法进行了对比，指出无人机倾斜摄影技术具有成本低、用时短、操作简单、可杜绝二次测量等优势，并通过无人机倾斜摄影技术采用三维逆向建模方法获得工程高边坡三维实景模型，依据三维实景模型适时量测边坡几何尺寸，有效地对工程高边坡滑塌病害进行了处置。
        1无人机航测技术
        1.1航拍特点
        无人机航测技术是在传统航测航拍技术基础上发展起来的，主要是利用了无人机的高空无障碍飞行、搭载的摄像头可以全方位工作等优势，可以实现机动灵活基础上的高效拍摄，尤其是对于人迹难以到达的区域更是具有无可替代的优势。无人机航拍出来的图像很清晰，可以采用不同的比例标准进行显示，经常用在小面积区域（如各种道路、桥梁、海岸线等）的摄影测量过程中。
        1.2航拍摄影测量原理
        无人机航拍就是将特定用途的摄像头搭载在无人机上，通过操纵摇杆对地面扫描获取各种影像数据。这种技术的具体操作方法是：用遥控器控制飞机，通过规划的航线来回飞行获取坡体数据；然后对采集到的数据进行计算和分析，用各种数学算法建立几何模型，并进行显示，同时也可以基于这些数据进行特定用途的分析。
        1.3航拍准备
        （1）观察。每当要拍摄一个不熟悉的地点时，打开卫星地图软件，让自己对这个地点有个清晰的概念和认知。利用卫星地图软件可以对要航拍的区域有一个大体的了解，识别出各种建筑物、停车场、道路、桥梁等，提前确定好航拍区域的整体概况，有利于选择具体的航拍位置和角度。在这个基础上，还可以提前选定标致性的建筑物，便于对航拍区域进行定位和标注。同时，要基于这些信息制定航拍计划，对航拍作业有一个整体的规划，从而确保航拍效果达到预期。（2）选择起飞点。一般，起飞点选择在视野开阔的区域，这样有利于操作手的操作，同时也有利于各种遥控信号、图像数据的传输。选择起飞点时，还要考虑到航拍画面起幅或落幅处是否有合适的前景，这也可以作为选择的一项参考。（3）航线规划。进行航线选择时，首先需要确保安全，确保无人机在该航线上不会遇到特殊的气流、人为攻击等；其次要确保航拍的效果，要确保拍摄角度比较好，并且拍摄出来的图像符合要求，具有较高的辨识度；第三要确保没有大的障碍，尤其是影响到遥控信号、数据传输信号传输的障碍，确保信号能够顺利传输；最后要尽量选择比较短而又拍摄角度比较广的航线，尽可能地降低成本。
        1.4航线规划
        为了使航线规划更准确，使用Altizure软件进行航线规划，规划完成后自动执行任务飞行。具体步骤为：（1）无人机飞行前，进入APP新建任务。（2）框定目标区域。（3）设置相关参数、保存任务（一般情况下，重叠度设置为80%，相机倾斜角为45°）。（4）开始任务、上传任务。（5）上传任务成功，开始飞行，飞往第一条航线起点，开始第一线路飞行，自动拍照启动，第一条线路飞行完毕，继续任务，到达第2条任务路线起点，随后继续开始飞行，重复以上操作，直到飞完所有线路（5条），任务完成，自动返航。需要注意的是，飞行前确保周围环境安全，只能规划矩形飞行区域。3.6软件制作三维模型利用Pix4Dmapper将无人机拍摄影像快速制作成专业的、精确的二维地图和三维模型。在建模过程中，加入控制点可提高生成模型的精度。通常控制点选取占照片比例的6%左右，在高程变化大的区域更多的控制点可提高高程精度。在图像上刺出控制点，控制点不要做在太靠近测区边缘的位置。
        2基于边坡的无人机路径规划解决办法
        面对沿着与边坡平行的斜面进行飞行的无人机，我们可以利用其在平面上进行飞行的路线图的基础上加以改进。首先认识到无人机在平面和边坡环境下进行飞行的唯一的变量是边坡环境下有垂直方向上高度的改变。根据图1和图2对比平面和边坡环境下无人机的路径规划，如果我们可以做到在相同的平面位置下保证高度的同步变化，则无人机的飞行路线形成的平面和边坡平面可以保证能够一直处于平行状态，无人机和边坡的间隔距离保持不变，则不会发生无人机碰撞边坡事件。无人机在平面和边坡飞行时，如图1和图2所示，规划路线均是按照①~②~③~④~⑤~⑥~⑦~⑧的飞行路线进行飞行，两者的不同关键在于与②~③、④~⑤、⑥~⑦处水平面上方向改变时是否发生高度的改变。针对具有倾斜角度的边坡巡查时的飞行，在手持端输入临界坐标或根据飞行器实际位置采点来设定飞行区域时，我们假定采集的点或通过GPS或RTK技术获得的点为①、②、⑦、⑧，我们可以得到①、②、⑦、⑧的三维坐标，然后通过对其三维坐标的分析得出其平面投影距离和垂直方向距离。无人机在边坡环境下进行巡查的理想情况是沿着与边坡平面平行的方向进行飞行，本项目根据实际情况选择的无人机为大疆M100和大疆M600两种型号，无法做到边垂直运动边水平运动。局限于此，我们可以把沿着边坡的斜边的飞行区段无限分段后用垂直和水平运动代替时，在数学上已经接近沿着原来边坡水平方向进行飞行模式。如图3所示。实际在边坡环境下进行飞行时，针对飞行路线可以根据照片分辨率及重叠率要求来设置分段情况，确保所拍摄照片满足后续处理时的要求即可，同时分段后的每一区段应先进行垂直方向上的上升运动，再进行水平方向的向左运动，否则顺序颠倒过来先进行水平方向上的运动仍会造成无人机的损坏。

图1基于平面的无人机路径规划

图2基于边坡的无人机路径规划

        图3边坡情况下复合运动等效飞行示意图
        结语
        无人机摄影测量技术以无人机为飞行平台，以数字传感器为任务载荷，以获取高分辨率遥感影像为目标，其信息获取准确、及时，能够通过机上搭载的高分辨率数码相机获取区域影像，提供实时、清晰、直观、准确、可靠的影像信息，有效地提高资料时效性、针对性、准确性和科学性。无人机航测技术是目前为止成本较为低廉、测量迅速、测量准确的一种测绘手段，在公路崩滑陡峭地段测量的应用前景十分广阔，可取得良好的效益。不仅能够弥补传统测绘手段的不足，还能够使得测绘手段不断的呈现出信息化测绘特点，从而提高对于公路测绘的效率，促进了无人机测绘系统的不断发展。
        参考文献
        [1]张鹏元.贵州南部山区运营高速公路常见滑坡病害发育规律与稳定性研究[D].西南交通大学，2018.
        [2]柳长安.无人机航路规划方法研究[D].西北工业大学，2019.
        [3]卓星宇.无人机山区搜寻方法研究[D].中国民用航空飞行学院，2017.
        [4]孙仕祺，马杰.历史与现实:无人机发展历程、现状及其所面临的挑战[J].飞航导弹，2018（01）.
        [5]董国忠，王省书，胡春生.无人机的应用及发展趋势[J].国防科技，2016（10）