摘要：三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的測繪技術(shù)，具有高精度、高效率、高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于受到多種因素的影響，如無人機(jī)飛行穩(wěn)定性、掃描儀精度、數(shù)據(jù)處理算法等，三維激光掃描技術(shù)的測繪精度仍存在一定的局限性。因此，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的無人機(jī)測繪精度進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化具有重要意義。對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的無人機(jī)測繪精度進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，旨在提高無人機(jī)測繪的精度和可靠性，為無人機(jī)測繪的應(yīng)用提供有力支持。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；無人機(jī)測繪；精度評(píng)估與優(yōu)化

一、前言

三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的測繪技術(shù)，具有高精度、高效率、高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于受到多種因素的影響，如無人機(jī)飛行穩(wěn)定性、掃描儀精度、數(shù)據(jù)處理算法等，三維激光掃描技術(shù)的測繪精度仍存在一定的局限性。因此，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的無人機(jī)測繪精度進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化具有重要意義。本文將對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的無人機(jī)測繪精度進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，旨在提高無人機(jī)測繪的精度和可靠性，為無人機(jī)測繪的應(yīng)用提供有力支持。

二、無人機(jī)測繪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

（一）航測無人機(jī)種類

1.固定翼

固定翼無人機(jī)是一種類似傳統(tǒng)飛機(jī)的飛行器，由機(jī)身、機(jī)翼、尾翼和動(dòng)力裝置等組成。這種飛機(jī)的特點(diǎn)是在飛行中依靠機(jī)翼產(chǎn)生的升力來維持飛行，與此同時(shí)，尾部的尾翼控制著飛機(jī)的姿態(tài)和方向。動(dòng)力裝置通常為發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)，提供飛機(jī)飛行所需的推進(jìn)力。機(jī)身是飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，包括機(jī)艙、貨艙、燃油艙等部分，承載著飛機(jī)的載荷和各種設(shè)備[1]。

2.多旋翼

多旋翼無人機(jī)是一種通過多個(gè)旋翼提供升力和操控的無人機(jī)。與傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)相比，多旋翼無人機(jī)具有垂直起降和懸停能力，適合于需要低空飛行、精細(xì)觀測和攝影的任務(wù)。它們通常采用四個(gè)或更多個(gè)旋翼，通過旋翼的轉(zhuǎn)速和角度變化來實(shí)現(xiàn)飛行、懸停和方向控制。多旋翼無人機(jī)可以像直升機(jī)一樣垂直起降，并且具有良好的懸停穩(wěn)定性，可以在空中停留并進(jìn)行精細(xì)觀測和拍攝。多旋翼無人機(jī)在空中具有較高的靈活性和機(jī)動(dòng)性，可以在復(fù)雜的環(huán)境中飛行，適合于城市、森林等密集區(qū)域的航測和監(jiān)測任務(wù)[2]。

3.復(fù)合翼

復(fù)合翼無人機(jī)是一種結(jié)合了固定翼和多旋翼特點(diǎn)的無人機(jī)類型。它通常采用具有固定翼和可旋轉(zhuǎn)或折疊的旋翼的設(shè)計(jì)，從而在飛行中兼顧了固定翼無人機(jī)的高速飛行和長航程能力，以及多旋翼無人機(jī)的垂直起降和懸停能力。復(fù)合翼無人機(jī)采用固定翼設(shè)計(jì)，具有較高的飛行速度和長航程能力，適合于覆蓋大范圍的航測任務(wù)。復(fù)合翼無人機(jī)還具有多旋翼飛機(jī)的垂直起降和懸停能力，可以在需要時(shí)進(jìn)行垂直起降和懸停，實(shí)現(xiàn)精細(xì)觀測和攝影。

（二）無人機(jī)飛控系統(tǒng)

無人機(jī)的飛控系統(tǒng)是控制和管理無人機(jī)飛行的關(guān)鍵組件，通常由硬件和軟件兩部分組成。傳感器系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知無人機(jī)周圍的環(huán)境和飛行狀態(tài)，通常包括慣性測量單元（IMU），此單元包括加速度計(jì)和陀螺儀，用于測量飛行器的加速度、角速度和方向。全球定位系統(tǒng)（GPS）用于確定無人機(jī)的位置、速度和航向。氣壓計(jì)和高度計(jì)用于測量大氣壓力和高度，提供無人機(jī)的高度信息。飛控計(jì)算單元是無人機(jī)飛控系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行飛行控制算法，并輸出控制指令給飛行器的執(zhí)行器（電機(jī)或舵機(jī)）。飛控計(jì)算單元通常包括處理器、內(nèi)存和其他必要的硬件組件，以及運(yùn)行飛行控制軟件的嵌入式系統(tǒng)[3]。

三、航測作業(yè)操作

（一）航測作業(yè)中的基本要求以及安全操作

基于三維激光掃描技術(shù)的無人機(jī)測繪是利用無人機(jī)搭載激光掃描儀器，對(duì)地面進(jìn)行高精度、高分辨率的三維地形和地物數(shù)據(jù)采集的一種測繪方法。這種技術(shù)結(jié)合了激光掃描技術(shù)和無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)的高精度測量，無人機(jī)搭載激光掃描儀器可以在地面、建筑物、植被等各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行精確的三維數(shù)據(jù)采集。必須嚴(yán)格按照工作流程來對(duì)航空器或者飛手本人進(jìn)行檢查[4]。

1.飛行器的選擇

固定翼飛行器適合長時(shí)間、大范圍的航測任務(wù)，通常具有較長的續(xù)航時(shí)間和高速巡航能力，能夠快速覆蓋大面積的地理區(qū)域。固定翼飛行器的優(yōu)勢(shì)在于其高速巡航和長航時(shí)能力，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成大范圍的地理測繪任務(wù)。但固定翼飛行器需要較大的起降空間，通常需要專門的跑道或平坦的地面來進(jìn)行起降操作。此外，固定翼飛行器的低空懸停能力較弱，對(duì)于小范圍、復(fù)雜地形的測繪任務(wù)可能不太適合[5]。

2.場地選擇

一般選擇場地應(yīng)滿足下列要求：

①起飛降落區(qū)域空曠，目視無高大障礙物；

②遠(yuǎn)離民航機(jī)場或者軍用機(jī)場；

③遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域；

④避免高壓電塔、雷達(dá)站、中繼站；

⑤若使用固定翼無人機(jī)，則需要起飛場地平坦，滿足相關(guān)性能指標(biāo)。

（二）飛行前的準(zhǔn)備

根據(jù)任務(wù)需求和測區(qū)環(huán)境，制定詳細(xì)的飛行計(jì)劃，包括飛行路徑、高度要求、飛行時(shí)間、任務(wù)區(qū)域等信息，如圖1所示。

（三）飛行器的操縱

根據(jù)飛手的操作習(xí)慣，控制方式分為日本手與美國手兩個(gè)流派，這里以日本手為準(zhǔn)，見表1。

注意固定翼油門桿直接控制升降舵。

（四）相片特性

中心投影成像是一種影像處理技術(shù)，常用于地理信息系統(tǒng)（GIS）和地圖制圖領(lǐng)域。在中心投影成像中，地球表面的地理坐標(biāo)被投影到一個(gè)平面上，形成一個(gè)二維圖像，以便更容易地進(jìn)行分析、測量和可視化 。

（五）相片重疊度

航向重疊計(jì)算公式：P=（Px/Lx）×100%；

橫向重疊計(jì)算公式：Q=（Py/Ly）×100%。

四、實(shí)踐案例

（一）測區(qū)

1.測區(qū)信息

南寧中關(guān)村創(chuàng)新示范基地位于中國廣西壯族自治區(qū)南寧市，占地面積180畝，總建筑面積約8萬平方米。該基地由13棟具有歐洲建筑風(fēng)格的樓宇組成，旨在落實(shí)黨中央關(guān)于創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略以及廣西壯族自治區(qū)的“三大定位”要求，打造國家級(jí)創(chuàng)新示范基地的核心區(qū)。采用無人機(jī)進(jìn)行測繪是一種高效的技術(shù)手段，特別適用于獲取較大面積的地面信息。提到的無人機(jī)和大疆M600六旋翼無人機(jī)掛載飛盟5鏡頭傾斜攝影攝像機(jī)。這種設(shè)備通常用于獲取高分辨率的地面圖像，評(píng)估基地周邊的自然環(huán)境和生態(tài)狀況，支持環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展策略 。

2.測區(qū)輪廓與像控點(diǎn)布置與外擴(kuò)

使用谷歌地球畫出測區(qū)的輪廓，并且選取合適地方布置像控點(diǎn)。

用KML文件格式保存輪廓和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)是一個(gè)明智的選擇，因?yàn)镵ML文件格式在地理信息系統(tǒng)（GIS）領(lǐng)域被廣泛支持。使用Global Mapper生成外擴(kuò)航線也是一個(gè)常見的操作，用于在地圖中顯示特定區(qū)域的邊界或輪廓，如圖2所示。

在Global Mapper中，使用合適的工具或命令生成外擴(kuò)線，設(shè)置外擴(kuò)距離為50米，如圖3所示。確保外擴(kuò)線覆蓋了需要飛行的區(qū)域邊界。在Global Mapper中，將生成的外擴(kuò)線數(shù)據(jù)輸出為KMZ格式文件。KMZ是KML文件的壓縮版本，包含了KML文件以及相關(guān)的資源文件，如圖像或其他數(shù)據(jù)。相關(guān)人員打開谷歌地球，并導(dǎo)入生成的KMZ文件，然后在谷歌地球中將其轉(zhuǎn)換為KML格式。這通?？梢酝ㄟ^選擇將KMZ文件另存為KML文件來實(shí)現(xiàn)。

3.航線規(guī)劃

KML（Keyhole Markup Language）是一種用于描述地理空間信息的標(biāo)記語言，通常用于Google Earth等地球信息系統(tǒng)中。導(dǎo)入KML文件后，無人機(jī)地面站軟件會(huì)根據(jù)這些信息規(guī)劃飛行路線和任務(wù)，如圖4所示。

（二）航測數(shù)據(jù)采集

1.像控點(diǎn)信息采集

將每個(gè)相機(jī)鏡頭拍攝的照片以及其對(duì)應(yīng)的POS點(diǎn)進(jìn)行整理。確保每張照片都有其對(duì)應(yīng)的POS信息，如圖5所示。給每張照片和其對(duì)應(yīng)的POS點(diǎn)重命名，最好采用有意義的命名規(guī)則，可以包含時(shí)間、相機(jī)編號(hào)等信息，以便后續(xù)的識(shí)別和管理。

2.航測相片采集

通過谷歌地球等工具，使用WGS84或CGCS2000等坐標(biāo)系統(tǒng)。確保RTK設(shè)備獲取的坐標(biāo)系統(tǒng)與使用者應(yīng)用需求相匹配。通常情況下，WGS84和CGCS2000是常用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)，選擇其中一個(gè)與使用者項(xiàng)目需求相符。

（三）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1.空中三角測量

將照片以及照片對(duì)應(yīng)POS數(shù)據(jù)重命名整理完畢后，可以開始進(jìn)行建模測試。本次項(xiàng)目中采用ContextCapture軟件進(jìn)行建模，通常建立傾斜模型首先要進(jìn)行空三測試，若空三測試失敗就無法進(jìn)行建模。

2.模型建立

空三測試成功后，即可建立模型。由于建立模型對(duì)于電腦硬件配備有著極高的要求，所以模型能否成功建立不單單是數(shù)據(jù)方面要無錯(cuò)誤，運(yùn)行的電腦配置也要達(dá)到要求，并且有足夠的運(yùn)行空間給軟件建立緩存文件，如圖6所示。有些時(shí)候建立的模型會(huì)有一部分用不到的區(qū)域，這些區(qū)域沒有必要建立模型，盲目建立模型只會(huì)加大電腦的負(fù)擔(dān)，并且增加成圖工期，可以適當(dāng)修改模型區(qū)塊，加快成圖速度，提高成圖效率。

五、結(jié)語

當(dāng)下，無人機(jī)作為熱門使用工具在航測中得到了廣泛應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工測量來說，有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。特別在一些偏遠(yuǎn)的山區(qū)或者大面積的作業(yè)區(qū)，使用無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)可以大大減少作業(yè)人員的負(fù)擔(dān)。隨著時(shí)間的推移，無人機(jī)在航測這一行業(yè)的應(yīng)用將會(huì)越來越廣，也許以后，無人機(jī)將會(huì)完全替代人工。這時(shí)，外出作業(yè)將會(huì)步入真正的“無人”時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳棟浩.基于無人機(jī)航測與三維激光掃描的工程地形測繪技術(shù)研究[J].貴州地質(zhì)，2022，39（03）：300-304.

[3]閆魏力，張馳，王洛鋒.無人機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在露天礦山測量中的應(yīng)用[J].黃金，2022，43（08）：41-44.

[4]劉亞星.無人機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在露天礦山測量中的應(yīng)用[J].中國金屬通報(bào)，2023（08）：173-175.

[5]張津瑞.三維激光掃描與無人機(jī)攝影在異形建筑三維建模中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代信息科技，2023，7（19）：163-166.