基于智能无人机的航摄飞行方案优化研究

基于智能无人机的航摄飞行方案优化研究

张利刚  

新疆疆海测绘院  新疆乌鲁木齐市 830000

摘要：近来，以民用无人机作为观测平台进行测绘、建模，为工程建设提供了新的技术手段。无人机测绘具备大面积覆盖、快速响应的能力，倾斜摄影技术在数据真实性、测绘效率、成本和易用性等指标上具有一定优势。因此有效利用无人机平台开展低空测绘，无论在早期设计，还是中期建设或者是后期运维上，均可大大减少矿山项目信息、数据采集的人力、物力等资源投入，亦可缩短工程项目的设计周期，有力促进项目的数字化转型。

关键词：智能无人机；航摄飞行；方案优化

1研究背景

近年来，无人机倾斜摄影测量技术不断发展，以其高效的数据采集能力，在空间规划、应急管理等领域发挥着重要作用。无人机倾斜摄影测量技术具有性能高、操作简单、成本低以及受地理环境影响小等优势，通过配合移动平板与软件，可在短时间内快速、大量采集地表信息。作为无人机倾斜摄影中的重要步骤，像控点的布设影响着航摄成果精度以及外业工作量，因此针对无人机倾斜摄影测量技术的像控点布设方案的优化设计具有重要意义。

针对无人机倾斜摄影测量布设方案的设计，国内外也进行了较多的研究，如王红莲等设计了针对无人机1∶10000正射影像数据采集的像控点布设方式与数量；吴迪军等针对地形条件设计了隔航带、隔基线的像控点布设方案。目前常规的无人机倾斜摄影测量作业中，为了保证成果质量有据可依，通常使用老旧的低空摄影测量规范进行像控点布设与采集，往往造成需要布设大量控制点的情况。因此，研究如何在保证成果精度的前提下尽可能提高外业效率与降低工作量，设计合理的像控点布设方案具有重要意义。

2无人机倾斜摄影技术的应用原理

无人机低空遥感技术，是无人机航测技术、摄影技术与数据处理技术的有机结合，对无人机低空遥感技术进行改良，就形成了无人机倾斜摄影技术。无论是无人机倾斜摄影技术，还是无人机低空遥感技术，都不会在超高空范围内作业，因为高空环境中的气温非常低，且存在着严重的乱流现象，会对无人机和摄影装置造成损坏。虽然无人机的飞行高度受限，但是却将常规航测技术的优势与低空航测技术的优势进行了充分地融合，具有较强的技术创新性。

倾斜摄影，指的是将具有多个传感器的多头摄像机安装到无人机上。利用1个正射摄像头和4个倾斜摄像头，进行测区内地物的拍摄，使城市测量效果得到大幅度提高。多头摄像机中的垂直摄像头，也可以像普通航测摄像头一样进行4D摄影；而倾斜摄像头的作用是对地面纹理进行捕捉。对多个摄像头拍摄图像进行对比和结合，就可以将地面纹理与起伏物高度进行精准地测量。与传统航测技术相比，无人机倾斜摄影测量技术的应用可以获得极为精准的数据信息。将这些数据信息应用到城市实景三维建模中，具有十分重要的意义。

3无人机倾斜摄影测量航线规划

无人机倾斜摄影技术的应用，不仅需要无人机保持相对平稳的飞行状态，还要使其沿着规定的路线，在特定的高度范围内飞行。只有对无人机的飞行路线进行合理地规划，才能够对无人机的飞行予以有效地控制。另外，在数据采集过程中，为了保证影像的均匀性与稳定性，无人机还必须要保持均匀、平稳的运行状态，这同样离不开相应的规划工作。而且，无人机在空中飞行，其飞行平衡会被空气流速度影响，一旦无人机无法保持平稳的飞行状态，其获取到的影像数据也会非常模糊。要想确保城市实景三维建模成功，就必须要对影像的采样率与重叠率进行严格地控制。单纯依靠人工操作遥控器飞行，根本无法优化无人机的飞行质量，不能保证数据的采集质量，甚至在后期还需要通过重新飞行进行数据的采集[2]。鉴于此，必须要在正式开始数据采集之前，对航线进行合理地规划。矩形是最理想的测区形象，也是传统航空摄影工作中使用的测区形状。针对矩形测区的航线规划难度较低，只需要选择平行航线折返拍摄方式即可，但是在实际城市测绘工作中，测区的形状并不都是矩形，更多的是不规则的多边形和长条带，而这就会使航线规划难度增大。

4路径方案及优化

无人机采集数据时的具体路径规划方案需要根据测区布局和设备情况进行设计，针对一个大型非常规工程项目，测绘路径的规划不仅要考虑到数据采集的质量，也要考虑数据处理的效率与速度。无人机的飞行速度、转弯半径、项目区域的不规则形状等因素都需要纳入考虑范围。要想所获得的图片信息足够清晰、准确，必须制定科学的航摄计划，航线变向要平缓，航线分布要平行、均衡，避免无人机飞行折返次数发生无规律变化，重叠度、旋角、倾斜角、航线弯曲度等参数要符合技术规范。

无人机在盘旋或者高速回转时需要合理控制速度和半径，避免出现飞行姿态不稳，从而引发飞行事故或影响成片效果。同时，为了保持采集数据的一致性，无人机在转向前需要进行适当调整，使其稳定、精准地进入后续航线。另外，矿山的测绘区域一般为不规则异形分布，非常规的测区形状会导致原有直线型路径飞行方案的航摄效果不佳，主要表现为无效覆盖面积增大、飞行路线冗长和图像采集效率低下。因此必须要合理策划，改进无人机路径规划方案，提高飞行效率和数据采集效率。

现阶段用于倾斜摄影的无人机通常搭载五拼相机或三拼相机，采用“之”字形飞行路线，而且在进入有效测量区域和离开有效测量区域时，需要继续向前保持直线飞行一段距离，才能进入转弯过程，转向下一航线继续进行拍摄任务。另外，为了保证能够采集到测区范围内下、前、后、左、右五个方向的数据，无人机需要完成多次、多路线往返飞行以实现全覆盖。因此，为了解决飞行及拍摄区域效率问题，尝试引入十字型飞行路线。在测绘区域不是很大的情况下，十字型飞行线路相较于之字形飞行路线，能够在一定程度上提高飞行与测绘效率。

在测绘区域不大的情况下，改进后的飞行路线在拍摄效率上得到了有效提高。虽然随着测区面积的增加，十字路线相较之字路线的有效面积占比差距在缩小，可以预计，当实际测量面积增大到一定程度时，两种方案的无人机飞行效率将趋于相同，但是受制于实际续航能力，民用无人机的滞空时间存在一个较低的上限值，因此十字飞行路线对于实际飞行与测绘效率具有较为明显的提升效果。

5精度提升措施

在Pix4Dmapper软件中根据方案3像控点布设方式进行空三解算，经过特征点匹配生成三维点云,继而得到试验区DSM，结合DSM与空三解算成果得到试验区最终的DOM数据。

无人机航摄测图的误差来源主要分为飞行误差、像控点测量误差、内业刺点误差等，针对不同阶段的误差可采取针对性的措施，以提高成图精度。

(1）飞行检查主要是检定相机参数，同时为了提高影像拍摄的稳定性，使用云台将相机稳固安装在无人机上。

(2）航空摄影应选择光照充足、透明度良好、风力在5级以内的时段进行，可以有效减少飞行误差以及提高影像匹配度，航摄结束后，现场对飞行质量进行检查。

(3）像控点布设位置应选择在空旷的明显处（最小高度角30°），以便于内业刺点识别。

(4）使用高精度观测手段对像控点坐标进行观测，保证像控点成果精度。

(5）目前市场上针对无人机航片处理的软件种类较多，各类航片处理软件中最为关键的还是空三解算算法，为了提高空三解算精度，选用空三解算算法较为成熟的软件进行数据处理。

结论

无人机航空摄影技术在工程测量中有着显著的优势，但是因为诸多因素的影响，在测量过程中依据需要对设计方案进行不断的优化，只有这样才能在最大程度上保证测量的质量。

参考文献：

[1]夏玉军;李佳俊;赵大伟;徐超;卞玉涛.浅析无人机倾斜摄影建模技术在规划建设中的应用——以“长宁‘6.17’灾后重建”工作为例[J].中国设备工程,2022(15)

[2]王千秋;郑创彬;李俊杰.无人机倾斜摄影和激光雷达技术在城市棚改中的应用[J].电子技术与软件工程,2022(15)

[3]黄书华;庄振禄;谭金石.无人机倾斜摄影技术辅助建筑工程施工管理[J].智能城市,2022(09)