论文部分内容阅读
摘 要：本文结合滩涂地形测量的特点，在对无人机激光测量技术系统的组成与工作原理分析基础上，结合工程实例，对无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用进行研究。
关键词：无人机激光测量技术；滩涂地区；地形测量；应用 ；研究
滩涂地形测量作为海洋测绘的一部分，它与一般的地形测量存在较大的区别，由于其特殊的地理位置与岩土结构特征，实际工作开展中采用人工测量技术不仅所耗费的时间与精力较大，并且测量结果准确性也容易受到影响，是海洋测绘工作开展的难点问题之一。针对这一情况，随着无人机激光测量技术的研究突出，采用无人机激光测量技术进行滩涂地形测量分析，以确保滩涂地形测量数据结果的准确性，控制其测量成本，从而有效弥补和控制传统测量技术进行滩涂地形测量的不足，具有十分积极的作用和意义。下文将通过对无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用进行研究，以供参考。
1、无人机激光测量技术及其系统结构与原理分析
1.1 无人机激光测量系统及其组成分析
无人机激光测量技术作为一种新的测量技术，是以无人机作为载体，对激光探测以及高精度GPS定位、计算机技术、惯性导航系统等结合运用，进行无人机激光测量系统平台构建，以用于有关测量实践。无人机激光测量系统是由空中飞行与地面控制、测量作业等不同结构单元构成，系统中还包含有相应的数据采集处理软件和硬件设备等，以对其在地形测量中的工作应用进行支持。如下图1所示，即为无人机激光测量系统的基本组成情况示意图。
根据上图可以看出，无人机激光测量系统中，其空中飞行单元多以直升机作为基本的飞行平台；地面控制单元一般是由包含数据传输电台以及运行控制软件的外业测量工作站构成；而测量作业单元则包含机载RTK GPS以及机载激光测距传感器、地面RTK GPS基准站、数据采集存储子系统等结构部分。此外，无人机激光测量系统中，各传感器的数据测量精度标准相对较高，以机载RTK GPS的水平定位精度为例，其定位精度一般在（20+2×10-6×D）mm，其中，D表示测量点与基站之间的距离；而水平定位传感器的采样频率则为5Hz。
1.2 无人机激光测量系统的工作原理
无人机激光测量系统中设置有相应的单束窄带激光器与相应的接收系统，其测量工作中，通过激光器进行一束离散的光脉冲发射，使其映射在对应的物体上同时产生反射作用，由接收器进行接收并对光脉冲发射至发射回的传播时间进行准确测量和分析，这一过程中，激光器所发射的光脉冲是以光速进行传播的，因此，接收器会在下一个光脉冲发出前对前一个被反射回的光脉冲进行接收，从而根据已知的光速以及传播时间（可转换成距离测量相关的参数）等参数结果，同时结合激光器高度与激光扫描角度、通过GPS获取的激光器位置与通过INS获取的激光始发方向等，进行所对应的地面光斑坐标的准确计算，满足其测量需求。
2、无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用
2.1 无人机激光测量系统地形测量工作流程
根据上述测量试验情况，采用无人机激光测量系统进行地形测量应用中，其测量方法与RTK三维水深测量工作方法基本相似，是由测量系统中的机载数据采集单元实现飞行平台飞行过程中的RTK GPS实时三维定位数据与激光测距传感器获取的地面目标测量数据、飞行姿态数据采集后，利用系统中的后处理软件对地面目标的三维坐标进行计算，以完成对地形的测量与分析。如下图2所示，即为采用无人机激光测量系统进行地形测量的工作流程示意图。
2.2 无人机激光测量系统的精准度校验
以某无人居住的海岛作为本次测量分析与检验场地，该海岛的岛屿和大陆之间通过海堤进行相互连接，且测量地区的地形环境较为空旷，具有较好的GPS测量条件，同时该海岛的岛屿周边地形要素相对丰富，存在海堤、沙滩、断崖以及基岩、人工建筑、林地、陡坎等，整體地形起伏变化相对较大，具有一定的代表性，能够满足地形测量平面与高程精度校验等有关需求。
根据上述无人机激光测量系统的地形测量工作流程，在对上述的海岛地形测量分析中，首先采用人工地面测量方法对测量分析区域的地形数据进行获取，其中，共设置了380多个人工测量分析点，以边缘线作为地形测量与分析要素，其中包含海堤、断崖以及平台、陡坎等边缘线和部分地形剖面线等；在此基础上，采用无人机激光测量系统对该海岛实施全岛地形测量分析，测量分析过程中，其测线间距设置为10m，无人机激光测量系统的飞行高度设置为40m，并且为确保无人机激光测量地形数据结果和人工测量的地形数据结果之间具有可比性，在测量过程中需要保持无人机的测线方向和人工测量方法中的剖面线呈基本垂直情况，如下图3所示，即为无人机激光测量系统进行上述海岛地形测量的具体范围与有效数据点设置情况示意图。
根据上述测量校验场及其布点测量情况，对无人机激光测量系统测量获取的地形数据利用自主开发软件以人工交互辅助判断方法进行数据处理，对非地形要素数据进行排除后，形成相应的三维地形测量数据，在与人工地面测量的地形数据结果进行对比后，对无人机激光测量系统在地形测量中的精确度进行校验，明确无人机激光测量系统进行地形测量的数据误差原因后，在实际测量操作中，注意从其精确度影响因素层面，加强对测量的控制，以确保其在实际测量应用中的准确性与可靠性。
2.3 无人机激光测量系统在滩涂地形测量中的应用
以上述某海岛附近的几个典型滩涂海湾为例，其海域底质均以淤泥为主，并且测量区域内分布为较为密集的海水养殖场区，包含底播、浅水漂浮结网式养殖以及插杆养殖等。该区域地形测量中，由于高密度养殖区分布导致采用传统测量方法进行地形测量中进入操作难度较大，并且对淤泥质滩涂地区采用人工测量方法进行下海测量的实施可行性较低，是典型的海洋测绘工作中水深测量高难度工作区。针对这种情况，采用无人机激光测量系统，根据上述无人机激光测量系统的地形测量工作流程，对该滩涂地区的地形数据进行测量分析，具有十分显著的作用和优势。因此，采用无人机激光测量系统对上述25km2的滩涂地形测量后，按照1：25000的比例尺大小，将测线间距设置为250m，无人机激光测量中飞行高度设置为30m，速度控制子啊10m/s以下，无人机飞行测线总长度约为229km，检线约为32km，测量过程中对地形测量数据结果采用计算检测线和主测线交叉点互差方式进行，并且控制检测线与主测线基本呈垂直分布，在无人机激光测量主测线后回航测量中进行检测线检测，并且其飞行高度与速度保持不变，结果显示，其检测线的交叉点高程互差平均为0.06m，最大约为0.14m，测量结果精准度相对较高，满足有关海洋测绘的工作要求。
3、结束语
总之，对无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用，有利于促进其在实际测量中推广应用，进而促进滩涂地形测量准确性和工作效率提升，降低测量成本，具有十分积极的作用和意义。
参考文献
[1]王松波，李马骁，李海瑞，等.基于三维激光雷达技术的输电线路廊道障碍物检测研究[J].电子科技，2019，32（04）：81-84.
[2]张吴明，李丹，陈一铭，等.联合地基激光雷达与无人机摄影测量技术提取树高研究[J].北京师范大学学报（自然科学版），2018，54（06）：764-771.
[3]罗博仁，张霄，明洋.车载激光扫描与无人机摄影测量协同的公路改扩建勘察设计方法[J].中外公路，2018，38（03）：4-6.
关键词：无人机激光测量技术；滩涂地区；地形测量；应用 ；研究
滩涂地形测量作为海洋测绘的一部分，它与一般的地形测量存在较大的区别，由于其特殊的地理位置与岩土结构特征，实际工作开展中采用人工测量技术不仅所耗费的时间与精力较大，并且测量结果准确性也容易受到影响，是海洋测绘工作开展的难点问题之一。针对这一情况，随着无人机激光测量技术的研究突出，采用无人机激光测量技术进行滩涂地形测量分析，以确保滩涂地形测量数据结果的准确性，控制其测量成本，从而有效弥补和控制传统测量技术进行滩涂地形测量的不足，具有十分积极的作用和意义。下文将通过对无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用进行研究，以供参考。
1、无人机激光测量技术及其系统结构与原理分析
1.1 无人机激光测量系统及其组成分析
无人机激光测量技术作为一种新的测量技术，是以无人机作为载体，对激光探测以及高精度GPS定位、计算机技术、惯性导航系统等结合运用，进行无人机激光测量系统平台构建，以用于有关测量实践。无人机激光测量系统是由空中飞行与地面控制、测量作业等不同结构单元构成，系统中还包含有相应的数据采集处理软件和硬件设备等，以对其在地形测量中的工作应用进行支持。如下图1所示，即为无人机激光测量系统的基本组成情况示意图。
根据上图可以看出，无人机激光测量系统中，其空中飞行单元多以直升机作为基本的飞行平台；地面控制单元一般是由包含数据传输电台以及运行控制软件的外业测量工作站构成；而测量作业单元则包含机载RTK GPS以及机载激光测距传感器、地面RTK GPS基准站、数据采集存储子系统等结构部分。此外，无人机激光测量系统中，各传感器的数据测量精度标准相对较高，以机载RTK GPS的水平定位精度为例，其定位精度一般在（20+2×10-6×D）mm，其中，D表示测量点与基站之间的距离；而水平定位传感器的采样频率则为5Hz。
1.2 无人机激光测量系统的工作原理
无人机激光测量系统中设置有相应的单束窄带激光器与相应的接收系统，其测量工作中，通过激光器进行一束离散的光脉冲发射，使其映射在对应的物体上同时产生反射作用，由接收器进行接收并对光脉冲发射至发射回的传播时间进行准确测量和分析，这一过程中，激光器所发射的光脉冲是以光速进行传播的，因此，接收器会在下一个光脉冲发出前对前一个被反射回的光脉冲进行接收，从而根据已知的光速以及传播时间（可转换成距离测量相关的参数）等参数结果，同时结合激光器高度与激光扫描角度、通过GPS获取的激光器位置与通过INS获取的激光始发方向等，进行所对应的地面光斑坐标的准确计算，满足其测量需求。
2、无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用
2.1 无人机激光测量系统地形测量工作流程
根据上述测量试验情况，采用无人机激光测量系统进行地形测量应用中，其测量方法与RTK三维水深测量工作方法基本相似，是由测量系统中的机载数据采集单元实现飞行平台飞行过程中的RTK GPS实时三维定位数据与激光测距传感器获取的地面目标测量数据、飞行姿态数据采集后，利用系统中的后处理软件对地面目标的三维坐标进行计算，以完成对地形的测量与分析。如下图2所示，即为采用无人机激光测量系统进行地形测量的工作流程示意图。
2.2 无人机激光测量系统的精准度校验
以某无人居住的海岛作为本次测量分析与检验场地，该海岛的岛屿和大陆之间通过海堤进行相互连接，且测量地区的地形环境较为空旷，具有较好的GPS测量条件，同时该海岛的岛屿周边地形要素相对丰富，存在海堤、沙滩、断崖以及基岩、人工建筑、林地、陡坎等，整體地形起伏变化相对较大，具有一定的代表性，能够满足地形测量平面与高程精度校验等有关需求。
根据上述无人机激光测量系统的地形测量工作流程，在对上述的海岛地形测量分析中，首先采用人工地面测量方法对测量分析区域的地形数据进行获取，其中，共设置了380多个人工测量分析点，以边缘线作为地形测量与分析要素，其中包含海堤、断崖以及平台、陡坎等边缘线和部分地形剖面线等；在此基础上，采用无人机激光测量系统对该海岛实施全岛地形测量分析，测量分析过程中，其测线间距设置为10m，无人机激光测量系统的飞行高度设置为40m，并且为确保无人机激光测量地形数据结果和人工测量的地形数据结果之间具有可比性，在测量过程中需要保持无人机的测线方向和人工测量方法中的剖面线呈基本垂直情况，如下图3所示，即为无人机激光测量系统进行上述海岛地形测量的具体范围与有效数据点设置情况示意图。
根据上述测量校验场及其布点测量情况，对无人机激光测量系统测量获取的地形数据利用自主开发软件以人工交互辅助判断方法进行数据处理，对非地形要素数据进行排除后，形成相应的三维地形测量数据，在与人工地面测量的地形数据结果进行对比后，对无人机激光测量系统在地形测量中的精确度进行校验，明确无人机激光测量系统进行地形测量的数据误差原因后，在实际测量操作中，注意从其精确度影响因素层面，加强对测量的控制，以确保其在实际测量应用中的准确性与可靠性。
2.3 无人机激光测量系统在滩涂地形测量中的应用
以上述某海岛附近的几个典型滩涂海湾为例，其海域底质均以淤泥为主，并且测量区域内分布为较为密集的海水养殖场区，包含底播、浅水漂浮结网式养殖以及插杆养殖等。该区域地形测量中，由于高密度养殖区分布导致采用传统测量方法进行地形测量中进入操作难度较大，并且对淤泥质滩涂地区采用人工测量方法进行下海测量的实施可行性较低，是典型的海洋测绘工作中水深测量高难度工作区。针对这种情况，采用无人机激光测量系统，根据上述无人机激光测量系统的地形测量工作流程，对该滩涂地区的地形数据进行测量分析，具有十分显著的作用和优势。因此，采用无人机激光测量系统对上述25km2的滩涂地形测量后，按照1：25000的比例尺大小，将测线间距设置为250m，无人机激光测量中飞行高度设置为30m，速度控制子啊10m/s以下，无人机飞行测线总长度约为229km，检线约为32km，测量过程中对地形测量数据结果采用计算检测线和主测线交叉点互差方式进行，并且控制检测线与主测线基本呈垂直分布，在无人机激光测量主测线后回航测量中进行检测线检测，并且其飞行高度与速度保持不变，结果显示，其检测线的交叉点高程互差平均为0.06m，最大约为0.14m，测量结果精准度相对较高，满足有关海洋测绘的工作要求。
3、结束语
总之，对无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用，有利于促进其在实际测量中推广应用，进而促进滩涂地形测量准确性和工作效率提升，降低测量成本，具有十分积极的作用和意义。
参考文献
[1]王松波，李马骁，李海瑞，等.基于三维激光雷达技术的输电线路廊道障碍物检测研究[J].电子科技，2019，32（04）：81-84.
[2]张吴明，李丹，陈一铭，等.联合地基激光雷达与无人机摄影测量技术提取树高研究[J].北京师范大学学报（自然科学版），2018，54（06）：764-771.
[3]罗博仁，张霄，明洋.车载激光扫描与无人机摄影测量协同的公路改扩建勘察设计方法[J].中外公路，2018，38（03）：4-6.