腳步丈量能否被無人機(jī)測(cè)繪“無情”取代
隨著空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,人類實(shí)現(xiàn)了從空中和太空中觀測(cè)地球的理想,遙感正是實(shí)現(xiàn)這一理想的利器。通過有人飛機(jī)航空遙感和衛(wèi)星遙感的方式,獲取地球表面的信息,不僅成本昂貴,也受到回歸周期、高度等因素的限制,遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性難以保障。
無人機(jī)技術(shù)正好成為衛(wèi)星和有人機(jī)獲取手段的有效補(bǔ)充,一方面,無人機(jī)飛行高度低、分辨率高,可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)感興趣的地區(qū)進(jìn)行“凝視”性觀測(cè);另一方面,無人機(jī)沒有人員傷亡危險(xiǎn),操作靈活,對(duì)環(huán)境要求低,甚至可以在危險(xiǎn)環(huán)境中完成任務(wù)。因此,在航空遙感領(lǐng)域,無人機(jī)異軍突起,頗受關(guān)注。
國(guó)情普查——用腳步丈量土地
測(cè)繪作為一項(xiàng)古老的行業(yè),最開始就是個(gè)苦活累活,測(cè)繪基本可以分為:外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)繪圖。而外業(yè)測(cè)量,通常是按照傳統(tǒng)的測(cè)量方式——用腳步丈量土地,到底有多苦有多累,國(guó)情普查的普查員最有發(fā)言權(quán)。
2013年,我國(guó)開始了全國(guó)第一次地理國(guó)情普查,普查于2015年結(jié)束,歷時(shí)3年。普查員在這期間的工作量,每人每天要核查7-8平方公里地域。常規(guī)外業(yè)核查方式一般采用步行或騎電瓶車,手持電子平板和紙圖進(jìn)行核查。遇到山區(qū)或者地形復(fù)雜的核查區(qū)域,全靠?jī)蓷l腿。
普查員需要背著全站儀,認(rèn)真地核對(duì)衛(wèi)星影像圖上的一個(gè)個(gè)小圖斑,看到不準(zhǔn)確的地方,馬上標(biāo)注并修正?!斑@樣的方法速度慢、效率低,通常一幅圖要花5、6天?!?/span>
普查員在外業(yè)作業(yè)時(shí),最主要的工作就是不停地走、不停地核對(duì),手上的軌跡儀,每15秒鐘打一個(gè)點(diǎn),記錄下每天的行進(jìn)路程。絕無偷懶的機(jī)會(huì)。
這份苦不是一般人能受的,宇辰網(wǎng)記者也接觸過不少測(cè)繪專業(yè)的畢業(yè)生,女生很少有出外業(yè)的,這種體力活兒男孩子也常常吃不消。參與過第一次國(guó)情普查的普查員說,有新來的小伙子剛跑兩天就累倒了,合理分配體力是很重要的。
正是由于國(guó)情外業(yè)核查工作如此辛苦,所以才有無人機(jī)測(cè)繪的簡(jiǎn)便易行。
同樣是在第一次國(guó)情普查期間,海南部分地區(qū)就采用了無人機(jī)航測(cè)。國(guó)家測(cè)繪地理信息局第四航測(cè)遙感院利用無人機(jī)對(duì)海南萬寧、興隆變化較大的地區(qū)進(jìn)行航拍,航攝面積約24平方千米,獲取0.1米分辨率原始像片2860張,并制作完成0.1米正射影像拼接圖。影像成果直接提供給地理國(guó)情外業(yè)隊(duì)使用,用于海南萬寧、興隆地區(qū)外業(yè)新增補(bǔ)測(cè)工作。
同樣,山東省也啟用了無人機(jī)進(jìn)行航測(cè)。濟(jì)南市勘測(cè)院受山東省第一次全國(guó)地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組委托,承擔(dān)了濟(jì)南市地理國(guó)情普查的生產(chǎn)任務(wù)。
濟(jì)南市勘測(cè)院工作人員使用了兩款無人機(jī)航測(cè)無人機(jī),目前有固定翼和旋翼兩款無人機(jī),用無人機(jī)對(duì)工作人員難以到達(dá)的偏僻山區(qū)進(jìn)行高清拍攝。
在航測(cè)中,充分發(fā)揮無人機(jī)的作業(yè)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)內(nèi)外有效結(jié)合,低空航測(cè)和地面外業(yè)調(diào)繪優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),有效提高國(guó)情外業(yè)調(diào)繪工作效率,縮短了外業(yè)作業(yè)時(shí)間,為國(guó)情普查工作的順利完成打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
固定翼與旋翼在測(cè)繪上的應(yīng)用各有側(cè)重
上文剛提到目前測(cè)繪無人機(jī)有固定翼和旋翼之分,那這兩者有什么共通的地方和區(qū)別呢?
先來說說相同之處,一套典型的無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)至少應(yīng)該包括無人機(jī)平臺(tái)、地面控制子系統(tǒng)、任務(wù)載荷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路子系統(tǒng)以及影像數(shù)據(jù)處理與測(cè)繪成果制作子系統(tǒng)五部分組成。
在起飛前,都應(yīng)該關(guān)注作業(yè)區(qū)域的環(huán)境,收集相關(guān)地形圖等資料,了解作業(yè)區(qū)域地形、氣象條件以及起降場(chǎng)等情況。
檢查飛機(jī)狀態(tài),需對(duì)飛機(jī)姿態(tài)、角度進(jìn)行調(diào)整,以確保飛機(jī)準(zhǔn)確通訊。無人機(jī)機(jī)體內(nèi)都配備有電子羅盤,磁校準(zhǔn)等設(shè)備來確保飛機(jī)在飛行過程中的自我姿態(tài)控制。
飛機(jī)放飛后該對(duì)飛機(jī)進(jìn)行飛行監(jiān)測(cè),主要做三個(gè)工作:對(duì)航高、航速、飛行軌跡的監(jiān)測(cè);對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空速、地速進(jìn)行監(jiān)控;隨時(shí)檢查照片拍攝數(shù)量。
據(jù)埃洛克飛控算法專家王謙介紹,空氣質(zhì)量與航高息息相關(guān),航高越高,對(duì)顆粒物、水汽條件的要求就越嚴(yán)格。由于無人機(jī)大多在云層下方進(jìn)行作業(yè),所以云層厚薄與航測(cè)的關(guān)系還不是那么大。
執(zhí)行回測(cè)任務(wù)的無人機(jī)在性能上還有諸多要求,相對(duì)航高一般不超過1500米,續(xù)航時(shí)間大于1.5小時(shí),能在4級(jí)風(fēng)的情況下安全飛行等。
針對(duì)有人指出無人機(jī)測(cè)繪不能進(jìn)行大比例尺,比如1:500的航測(cè)任務(wù),王謙表示其實(shí)無人機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大比例尺的測(cè)繪了,“目前很多人使用的索尼黑卡4200萬像素相機(jī),飛200米的高度足夠?qū)崿F(xiàn)1:500的分辨率,另外多加一些地面控制點(diǎn)就可以使精度達(dá)到要求?!?/span>
針對(duì)固定翼和旋翼機(jī)哪一種更適合做測(cè)繪,王謙也給出了自己的看法。他認(rèn)為,固定翼的優(yōu)勢(shì)是速度快,續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),所以適合較大面積測(cè)繪,包括正射影像和傾斜攝影。大型固定翼可以做上百平方公里以上的測(cè)繪,不過需要跑道起降,對(duì)場(chǎng)地有一定的要求。小型固定翼可以做幾到幾十平方公里的測(cè)繪,優(yōu)勢(shì)就是可以不需要跑道,彈射起飛,回收時(shí)采用傘降。
而多旋翼優(yōu)勢(shì)是飛行穩(wěn)定,可以懸停,速度可快可慢,而且在傾斜攝影時(shí)更方便采集各角度的圖像,所以在小范圍測(cè)繪或傾斜攝影方面比較合適,但電動(dòng)旋翼的通病就是續(xù)航時(shí)間短。
綜合起來就是較大面積正射(幾十平方公里以上),基本上是固定翼最合適,中等面積(幾平方公里)的正射用小型固定翼稍微比多旋翼合適,體積稍大的多旋翼也可以。
目前,測(cè)繪行業(yè)更多的是固定翼,大概70%的航測(cè)任務(wù)都是固定翼完成的。但傾斜攝影還是可以考慮多旋翼,尤其幾平方公里的傾斜攝影要根據(jù)場(chǎng)景確定用哪種平臺(tái),小范圍的就是多旋翼更合適了。
關(guān)于作業(yè)環(huán)境的要求,王謙認(rèn)為,在用固定翼進(jìn)行測(cè)繪時(shí),抗風(fēng)要求跟飛行平臺(tái)抗風(fēng)性能和測(cè)繪相機(jī)的云臺(tái)性能有關(guān),不同飛機(jī)限制不同。目前市面上大部分測(cè)繪無人機(jī)都能滿足4級(jí)左右的風(fēng)力,甚至還有能抗6級(jí)風(fēng)的。
由于無人機(jī)航測(cè)需要獲取多角度的數(shù)據(jù),這就注定了測(cè)繪無人機(jī)不能像物流無人機(jī)設(shè)計(jì)的一樣,從A點(diǎn)到B點(diǎn)就結(jié)束飛行。無人機(jī)的航線需要認(rèn)真規(guī)劃。
以上說的都是和外業(yè)相關(guān)的內(nèi)容,但別忘了測(cè)繪還有內(nèi)業(yè)。所謂“外業(yè)”,就是外出作業(yè),拿著內(nèi)業(yè)初判出來的影像圖,通過走訪實(shí)地核查、改正;而“內(nèi)業(yè)”,就是通過衛(wèi)星或航拍獲得基礎(chǔ)影像圖后,用專業(yè)知識(shí)和技術(shù)判讀、描繪出所屬區(qū)塊。
數(shù)據(jù)收集之后……
數(shù)據(jù)本身沒有意義,經(jīng)過處理、加工、提煉的信息才有意義。
無人機(jī)測(cè)繪得到的數(shù)據(jù)首先是影像,獲取影像的方法有很多,目前無人機(jī)主要是兩種:正射和傾斜攝影。
當(dāng)高空拍攝,中心投影光線近似的被認(rèn)為平行時(shí),當(dāng)?shù)匚锔叩筒顒e引起的正射化投影誤差可被忽略時(shí),對(duì)影像可進(jìn)行正射化處理,因?yàn)檫€可能有傾斜角變形。近景攝影測(cè)量的任意角度拍攝中存在的問題是遮擋,航空攝影測(cè)量也有這個(gè)問題。有了同方向傾斜像對(duì),可以形成地物側(cè)面的前方交會(huì)測(cè)量數(shù)據(jù),傾斜攝影是多角度攝影的一類方法,為了獲得除了頂部外的更多地物不同側(cè)面進(jìn)行的相機(jī)陣列組合中的相機(jī)姿態(tài)調(diào)整,目的是立體像對(duì)同名點(diǎn)無死角。
傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限,通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像,將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。
目前,無人機(jī)尚不能完全取代人工作業(yè),但無人機(jī)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)可以互相補(bǔ)充了。以智慧城市建設(shè)航測(cè)為例,在進(jìn)行道路及下水道規(guī)劃時(shí),使用無人機(jī)對(duì)道路上的井蓋進(jìn)行正攝影像數(shù)據(jù)采集,由于部分井蓋處于城市建筑角落里、陰影里,大概可以采集到70%,剩下的部分只能依靠人工的腳步測(cè)量。但隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,多角度航測(cè)的傾斜攝影目前已經(jīng)在很大程度上彌補(bǔ)了正攝影像技術(shù)的不足。
無人機(jī)可以通過遙感軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析等處理,能快速有效的提取所需要的信息,利用軟件對(duì)影像進(jìn)行柵格矢量化,可以快速得出該地區(qū)矢量圖。比如,需要計(jì)算測(cè)繪地區(qū)的耕地面積,利用信息提取,輔助高分辨影像和豐富紋理特征,能夠快速計(jì)算出該地區(qū)準(zhǔn)確的耕地面積,能夠節(jié)省大量的人力和時(shí)間。
無人機(jī)影像獲取周期短,時(shí)效性強(qiáng),有利于快速得到影像,便于快速及時(shí)有效的統(tǒng)計(jì)面積。目前而言,盡管無人機(jī)已經(jīng)部分應(yīng)用于遙感測(cè)繪各行業(yè),由于圖片獲取及處理技術(shù)尚未完全成熟,目前尚不能完全取代傳統(tǒng)的“腳步丈量”。但無人機(jī)測(cè)繪已經(jīng)能成為衛(wèi)星和有人機(jī)獲取遙感數(shù)據(jù)手段的有效補(bǔ)充了。隨著無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步,未來無人機(jī)一定會(huì)逐步取代費(fèi)時(shí)費(fèi)力的腳步丈量。
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