无人机摄影测量技术在数字化地形测量的应用实践探究

无人机摄影测量技术在数字化地形测量的应用实践探究

王  昶

甘肃建筑职业技术学院，730050

摘要：随着科学技术的不断发展，数字化地形测量成为地理信息科学领域中的重要研究方向之一。传统的地形测量方法往往需要大量的人力、物力和时间投入，且操作复杂，效率低下。而无人机摄影测量技术的出现为数字化地形测量带来了全新的解决方案。无人机摄影测量技术具有灵活、高效、经济的特点，因此在数字化地形测量中得到广泛应用，主要应用于数字地形模型的生成、地形变化监测和地形分析等方面。

关键词：无人机摄影测量技术；数字化地形测量；应用

1.无人机摄影测量技术

1.1 无人接摄影测量的原理

无人机摄影测量是一种利用无人机进行航空摄影测量的技术，通过摄影测量原理实现对地表的数字化测量。无人机摄影测量原理主要包括相对定向、绝对定向以及数字影像处理三个方面。

相对定向是指通过无人机进行空中摄影时，获取的各个影像的内部几何关系以及相对位置关系，根据摄影测量的基本原理，通过对影像的几何变换实现图像间的平面转换。具体而言，无人机通过搭载的惯性导航系统、GNSS定位系统和姿态传感器实时获取无人机的位置、姿态和运动状态等信息，然后通过计算机视觉技术对摄影图像进行特征点提取和匹配，进而实现影像之间的相对定向。

绝对定向是指将相对定向得到的相对坐标转换为绝对坐标，即将无人机摄影测量的影像与地面坐标系进行一一对应。为了实现绝对定向，需要在地面上布设一定数量的控制点，控制点的空间坐标通过全球定位系统（GPS）或者其他高精度测量仪器进行测量。然后，在无人机摄影时，通过摄影机的特征点与实际控制点进行匹配，从而确定摄影影像的绝对坐标。

数字影像处理是指对无人机获取的影像进行校正和处理，从而得到高精度的数字影像。对于无人机摄影测量数据，主要包括影像内部几何校正、辐射定标、块约束调整等处理。影像内部几何校正主要包括镜头畸变校正、相对定向和绝对定向精度的提高等。辐射定标是根据相机的内部参数和外部参数，将数字影像的亮度值转换为表面反射率的过程。块约束调整是在绝对定向的基础上，通过优化算法进行精度调整的过程。

1.2 无人机摄影测量系统

无人机摄影测量系统是指由无人机、航空相机、航测航电设备和数据处理软件等组成的一套完整的系统。该系统采用了无人机作为平台，借助航空相机及其它辅助设备，对地面进行高精度的摄影测量，以获取地理信息，并通过数据处理软件将其转化为数字地形模型。无人机摄影测量系统在数字化地形测量中具有很大的应用潜力。

无人机摄影测量系统的核心是无人机，它是一种能够在无人操控的情况下，通过自主导航和遥控操作进行飞行的航空器。无人机搭载的航空相机是实现空中摄影测量的关键设备，它能够捕捉到地面上的各种地物特征，并将其记录为影像数据。航测航电设备包括惯性导航系统、定位系统以及航空遥控设备等，用于对无人机的飞行轨迹、姿态以及位置进行监测和控制。数据处理软件则负责对采集到的影像数据进行处理，包括影像匹配、三维测量和模型生成等步骤。

1.3 无人机摄影测量技术的特点与优势

首先，无人机摄影测量技术具有灵活性和高效性。相比于传统的地面测量和航空遥感技术，无人机具有灵活性、高效性和低成本的优势。无人机可以灵活操控，适用于各种复杂地形和环境条件下的测量任务。同时，无人机摄影测量技术可以实现大范围的地形测量，加快测量速度，提高测量效率。

其次，无人机摄影测量技术具有高精度和高分辨率。无人机搭载高分辨率的数码相机和激光雷达等传感器，可以获取高质量的影像和点云数据。通过对这些数据进行处理和分析，可以生成高精度的数字地形模型。这对于一些需要高精度测量数据的应用领域尤为重要，如地质勘探、土地利用规划、灾害监测等。

此外，无人机摄影测量技术具有广泛的应用前景。无人机摄影测量技术在数字化地形测量中的应用不仅限于地质勘探和土地利用规划等传统领域，还可以应用于城市规划、交通规划、环境监测等多个领域。无人机摄影测量技术可以提供全面、准确的地理信息数据，为决策者提供科学依据，促进经济社会的可持续发展。

2.数字化地形测量

2.1 数字地形模型

数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是通过对地形数据进行采集、处理和分析所得到的地表几何形态的数字表示，DTM是地理信息系统（GIS）和地形分析的基础，广泛应用于土地规划、环境保护、自然灾害预测等领域。

数字地形模型的生成可以通过多种方法实现，其中，无人机摄影测量技术成为数字地形模型生成的重要手段之一。无人机摄影测量技术利用搭载在无人机上的相机对地表进行高速连续摄影，通过对摄影图像进行处理，可以获取地表的三维坐标信息，从而生成数字地形模型。

数字地形模型的生成过程主要包括三个步骤：图像拼接、三维点云生成和网格模型构建。首先，通过对无人机拍摄的一系列照片进行图像拼接，将各个照片拼接成一张大的摄影图像。然后，利用立体匹配算法和特征点匹配算法，将摄影图像中的像素点与空间点进行匹配，从而生成地表的三维点云数据。最后，通过网格化算法将点云数据转换为网格模型，得到具有一定分辨率的数字地形模型。

数字地形模型的应用非常广泛。首先，数字地形模型可以用于土地规划和城市设计。通过对地形进行测量和分析，可以获取场地的高程、坡度、坡向等信息，为土地规划和城市设计提供参考。其次，数字地形模型可以用于环境保护和资源管理。通过对地形的测量和分析，可以评估地形的稳定性、水资源的分布情况等，为环境保护和资源管理提供依据。此外，数字地形模型还可以用于自然灾害预测和应急响应。通过对地形的测量和分析，可以预测洪水、山体滑坡等自然灾害的风险，为灾害应急响应提供支持。

2.2 数据获取

地形测量数据的获取方法主要包括传统测量方法和无人机摄影测量技术。传统测量方法包括地面测量和航空测量两种方式，而无人机摄影测量技术则是利用无人机进行数字化地形测量的新兴方法。

地面测量是通过在地面上设置测量仪器，在测量点上进行直接测量的方法。常用的地面测量仪器包括全站仪、GPS仪器等。在地形测量中，地面测量一般是选择一些关键控制点作为基准点，然后在这些基准点附近进行一系列测量，通过测量结果进行插值计算，得到全区域的地形数据。地面测量的优点是测量精度高，但由于受到地形复杂性和障碍物的限制，无法进行全区域的测量。航空测量是通过飞机或其他航空器携带各种测量设备，从空中对地面进行测量的方法。航空测量一般采用摄影测量的方式，通过摄影机拍摄地面影像，然后利用影像解算技术获取地面的三维坐标信息。传统的航空测量方法一般使用有人驾驶的飞机进行，不仅造价高昂，而且受到气候条件的限制。而无人机摄影测量技术的出现，使得航空测量更加灵活和便捷。

无人机摄影测量技术是指利用无人机携带摄影测量设备，通过拍摄地面影像进行地形测量的技术。无人机摄影测量技术的优势在于能够实现高效、精确和全区域的地形数据获取。无人机携带的摄影测量设备通常包括相机和定位设备，相机用于拍摄地面影像，定位设备用于确定无人机的位置信息。通过对拍摄的影像进行后续处理，可以获取到地面的三维坐标信息和数字地形模型。无人机摄影测量技术在地形测量中的应用越来越广泛。它不仅可以用于地形变化监测和地形分析，还可以应用于土地规划、水资源管理、环境监测等领域。无人机摄影测量技术的优势在于可以实时获取高分辨率的地形数据，并且可以快速响应需求，在灾害监测和救援等紧急情况下具有重要的应用价值。

3.无人机摄影测量技术在数字化地形测量中的具体应用

3.1数字地形模型生成

数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）是地理信息系统中的一个重要组成部分，它是对地表形态的数字化描述，无人机摄影测量技术在数字地形模型生成中具有广泛的应用。

首先，无人机摄影测量技术可以实现高精度的地形数据采集。传统的地形测量方法需要人工进行地面测量或通过专门的测量设备获取地形数据，而无人机摄影测量技术可以通过航拍的方式获取大范围的地形数据，不受地形复杂性和难以到达的区域的限制。利用无人机搭载的高分辨率相机，可以获取高精度、高分辨率的地形影像，提供更加精确的地形数据。

其次，无人机摄影测量技术可以实现全面的地形信息获取。通过航拍获取的地形影像可以利用计算机视觉和遥感图像处理技术提取出地形特征点、线和面，进而形成地形模型。无人机航拍可以从多个角度、多个方向获取地表的影像信息，可以获取到更加全面和丰富的地形数据。这种多视角的数据可以提供更加准确、详细的地形信息，为数字地形模型的生成提供更多的数据支持。

另外，无人机摄影测量技术还可以实现地形模型的快速生成。传统的地形测量方法需要耗费大量时间和人力资源进行测量、处理和分析，而无人机摄影测量技术可以通过自动化的数据采集和处理流程，大大提高地形模型的生成效率。利用无人机航拍获取的影像数据，采用相应的图像处理算法和地形模型生成方法，可以在较短的时间内生成高质量的数字地形模型。

最后，在数字地形模型的生成中，无人机摄影测量技术还可以应用于地形变化监测、地形分析等方面。通过多次航拍获取不同时间点的地形影像，可以实现地形变化的监测和分析。利用无人机摄影测量技术进行地形分析可以提取地形特征、计算地形参数，为地理学、地质学等领域的研究提供支持。

3.2 地形变化监测

地形变化监测是无人机摄影测量技术的一个重要应用领域。随着社会经济的发展和人类活动的增加，地表地形的变化已成为一个关键问题。地表地形的快速变化，如土地利用变化、地形破坏、地质灾害等，对环境保护和资源管理等方面都有重要的影响。因此，开展地形变化监测具有重要的理论意义和实际价值。无人机摄影测量技术在地形变化监测中的应用主要包括以下几个方面：

①地表变化监测：通过无人机航拍获取的高空影像数据，可以实时监测地表地形的变化情况。无人机具有灵活性和快速性的优势，能够定期获取地表的高空影像，通过对比分析不同时间拍摄的影像数据，可以准确地监测地表地形的变化情况，如土地利用的变化、建筑物的增减、土壤侵蚀等。这对于城市规划、土地资源管理和环境保护等方面具有重要的意义。

②地质灾害监测：地质灾害是世界各地普遍存在的自然灾害之一，如山体滑坡、地震等。无人机摄影测量技术可以在地质灾害发生后快速获取高空影像数据，并通过图像处理和分析技术，实现对地质灾害的监测和评估。通过对不同时间拍摄的影像数据进行比对和分析，可以准确判断地质灾害的发生和发展趋势，并提供重要的科学依据和决策支持。

③水域变化监测：水资源是人类生存和发展的重要基础，水域的变化对于水资源管理和生态环境保护具有重要意义。无人机摄影测量技术可以通过高空影像数据获取水域的边界和面积信息，实现对水域变化的监测。通过对不同时间拍摄的影像数据进行比对和分析，可以准确判断水域的变化情况，如水域的扩张或收缩、水质的变化等。这对于水资源管理和水环境保护具有重要的意义。

④建筑物变化监测：随着城市化进程的加速，建筑物的变化在城市规划和土地资源管理中具有重要意义。无人机摄影测量技术可以通过高空影像数据获取建筑物的形状和位置信息，实现对建筑物变化的监测。通过对不同时间拍摄的影像数据进行比对和分析，可以准确判断建筑物的增减情况，包括新建建筑物、建筑物的改建和拆除等。这对于城市规划和土地资源管理具有重要的意义。

3.3 地形分析

地形分析是通过对地形数据进行处理和分析，以获取地形特征和地形变量，进而对地形进行更深入的理解和应用。无人机摄影测量技术在地形分析中有着广泛的应用，并且具有许多优势。

首先，无人机摄影测量技术能够提供高分辨率的地形数据，通过无人机航测所获得的航拍影像可以生成高精度的数字地形模型（DTM）。这种高分辨率的地形数据能够提供更为准确和细致的地形特征，有利于对地形进行详细的分析。例如，可以对地形的高程、坡度、坡向等特征进行精细化的分析，为地质灾害的评估和预测提供更为可靠的数据基础。

其次，无人机摄影测量技术具有较高的灵活性和快速性，能够对地形进行连续的监测和分析。无人机能够在较短的时间内完成大范围的航测任务，实时获取地形数据。这使得地形分析可以进行实时的更新和监测，对于地质灾害的预警和应急响应具有重大的意义。此外，无人机还能够灵活地调整航线、视角和分辨率等参数，根据实际需要对地形进行不同尺度和精度的分析。

此外，无人机摄影测量技术还能够结合其他传感器和技术，进行多源数据的融合和分析。例如，可以将激光雷达数据与无人机航拍影像数据相结合，通过点云数据对地形进行更加立体和全面的分析。此外，还可以将无人机摄影测量技术与遥感技术、地理信息系统（GIS）等技术相结合，进行更为综合和深入的地形分析。

结束语

无人机摄影测量技术在数字化地形测量中的应用具有重要的研究意义。它能够解决传统测量方法的局限性，提高测量效率和精度，拓展了地理信息科学的研究范围和应用领域。随着无人机技术的不断发展和完善，相信这一技术将在未来得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 李明, 高俊, 吴世川. 无人机摄影测量技术在数字化地形测量中的应用[J]. 科学技术与工程, 2017, 17(5): 14-21.

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[3] 张勇, 杨森, 李宏伟. 无人机摄影测量技术在城市地形测量中的应用探析[J]. 測繪通報, 2018, (4): 82-85.