無人機測攝與地理信息系統在工程中的應用

陳楊

（山東省地質測繪院，濟南250002）

1 引言

工程項目施工前期，傳統的測繪方法主要是對地形圖矢量化，再結合現場調繪調查情況，對地形地物加以補充和完善，但這種測繪方法，因原有的地形圖形成的時間相對較長，地形地物會隨著時間發生變化，影響到最終測繪結果的時效性，難以滿足當前工程項目對精準測繪的要求。現代信息技術的推進，無人機和測攝設備技術不斷更新，逐漸應用到工程建設中，測繪更加精準，成本相對較低，且對復雜的環境具有很強的適應能力，能第一時間獲取現場的信息數據。通過無人機測繪所獲取的數據信息豐富、數據量較大，需要地理信息系統對數據加以整合處理，最終將所得的數據以圖像的形式呈現出來，更好地為工程建設提供依據。

2 無人機測攝系統概述及其在工程中的應用

2.1 無人機測攝技術概述

無人機測攝技術，主要是借助先進的無人駕駛飛行器技術、遙感技術、遙測遙控技術、通信技術等，自動、智能化地獲取自然環境、國土資源等信息，完成遙感數據的處理和建模。無人機遙感系統與傳統的測繪方法相比，具有速度快、投入人員少、成本低等特點，成為當前研究的熱點，也逐漸從研究分析到實際應用發展階段。無人機測攝最先應用于軍事和偵察工作中。隨著計算機技術和通信技術的高速發展，數字化、體積小、精度高的新型傳感器出現，無人機的性能在不斷提升，其應用范圍和領域也在不斷擴大，在工程實踐中也得到了一定程度的推廣，采用無人機為飛行平臺，搭載小型數碼相機傳感器構建的攝影測量系統，應用在地理影像測繪的收集工作中。根據旋翼不同，可以分為多旋翼和固定翼航攝系統，包括飛行平臺、數字傳感器、影像處理等部分【1】。無人機測攝主要是采用GNSS定位，借助后期軟件處理自動拼接影像，對實時影像的處理相對比較便捷，不需要耗費設備和大量人力的投入。

2.2 無人機測攝系統在工程中的應用

2.2.1 無人機測攝作業流程

常規測繪需要較多的人力物力投入，測量難度相對較大，無人機測攝作業有成本低、易操作、響應快速等特點，能適應更多的難度較大的環境，有效彌補數字線劃圖測繪的不足。分析無人機測攝的環節，主要包括以下方面：航線的設計，像控點實地測繪、外業調繪等。在航線的設計中，需要結合工程的實際需求，了解環境狀況，從而對航向加以設定，并設計好基線長和航線條數等信息，借助軟件導入無人機，確保在天氣條件合適的情況下，對測區進行航拍，獲取相應的影像。像控點的確定，可以采用快速靜態等觀測的形式，采集三維坐標，結合區域網模式開展。

2.2.2 無人機測攝在工程測量中的應用

大比例尺地形和線路地形測繪中，按照測繪相關要求，設置航攝像控點，并采集像控點平面和三維數據，結合原有影像為底圖，設置坐標，并對航向等指標要求加以分析。在實際的工程作業中，利用無人機采集影像，將數據導入相關軟件中，完成影像的匹配和拼接建模，最終形成三維模型，結合預設的像控點外業數據和坐標，完成最后影像配準與外定向，標注出建筑結構、地物類別，從色調、亮度方面重點加以調整【2】。

3 地理信息系統概述及其具體應用分析

3.1 地理信息系統概述

地理信息系統，簡稱GIS，其在建設和發展中引起了社會的關注，該系統中包含了許多子系統，如數據采集、數據管理分析、數據輸出等系統。GIS技術，主要是融合數據結構、數據集成，借助地理空間分析能力和搜索能力，實現圖形創作和工具空間定位，更好地處理和模擬地理空間信息。

3.2 地理信息系統在工程中的具體應用分析

地理信息系統在工程中的應用程度相對較深，地理工程勘探、項目設計施工等都有重要的影響。具體表現在以下幾個方面：

1）當前行業發展中，信息的作用越來越重要，企業發展每年會形成大量的數據信息，這些數據較為分散，采用原有的存儲方式，會影響到后期資料的查閱，基于GIS地理信息系統的應用，可以實現對信息的統一管理和查詢，實現信息數據管理和應用的一體化，并建立數據庫平臺，借助地理信息技術空間分析能力，分析用戶需求，將信息精準、全面地展示給用戶，滿足行業發展對空間信息的需求，為行業發展和信息決策提供依據。

2）在工程勘探中有較廣泛的應用，通過地理信息系統，能快速獲取工程勘探數據，確保數據的準確性，也能有效提升工作人員的效率，減少因數據失誤帶來的影響。在具體的應用中，要結合工程的實際情況，最大限度地發揮地理信息系統的作用【3，4】。

3）地理信息系統在工程規劃中的應用。城市、空間規劃中，地理信息系統是重要的應用領域，城市基礎設施較多，分布廣泛，在城市管理、統計中借助GIS技術，能有效提升工作效率，并確保工作的精準性，給選址及科學決策提供依據，能結合所在區域的地理環境、資源分配、地形因素、交通條件等，選擇出最佳位置。因此，地理信息系統在城市的規劃發展中有重要的作用。

4 系統組成與工作流程

4.1 航測及數據處理流程

航測作業中，一般采用的無人機有固定翼無人機和多旋翼無人機2種。2種無人機特點不同，應用領域也有差異。固定翼無人機飛行的速度比較快，但自身負重相對小，對能承載的設備重量及起降場地有嚴格要求。多旋翼無人機的負重能力相對較強，飛行過程相對穩定，能懸停滯空，可以承載重量較大的測攝儀器。

無人機搭載千萬級像素數碼相機，超廣角鏡頭，在不同的飛行高度航拍照片，分辨率可達0.05～0.15m，同時拍照時相鄰航線的照片旁向重疊度要在30%以上，航高差不能超過30m，無人機在低空攝像中，多采用的是普通數碼相機拍攝，在拍攝中會受到視角、航線偏角的影響，最終拍攝的照片會產生畸變，需要借助相關的軟件對照片加以矯正，如采用Dxo Optics Pro，可應用于多種類型數碼相機拍攝照片的光學處理、幾何處理和畸變矯正。

在對原始照片進行畸變矯正后，考慮到計算機處理照片的能力，測量對數據精度的需求，可以對照片進行分塊處理。分塊處理要遵循以下幾個原則：

1）為了給后期擬合提供對比參照，分塊需要有一定的重疊區域。

2）分塊要規整，以免出現狹長區域。在分塊中，對照片分別加以分布式相對定位處理，借助空中三角測量數據軟件，對其加以分析和運算，獲取初步的定向正射影像、地面模型等。然后對所得結果進行檢查，在三維數據瀏覽軟件中，導入所得三維點數據，對此加以核查，并剔除異常點。將地面模型及數字高程模型（DEM）導入地理信息系統中，載入正射影像數據，從而顯示地形三維模型，對模型數據的合理性加以驗證【5】。

結合所得的正射影像，對工程目標附近布置控制點，對其進行測量。控制點的布設需要滿足以下幾個條件：

1）控制點布設要均勻，各點之間的布置距離要保持在300～500m，如果遇到地形起伏較大的區域，要增加控制點的密度。

2）控制點在野外實地位置和照片影像位置可以加以明確辨認。

3）控制點的設置，要選擇固定的不容易被遮擋的點，控制點的選擇上，先在航攝照片上進行標示，根據標識點進行測量，如果實地的情況和照片不符合，無法滿足條件，需要在原來的控制點附近重新選擇控制點進行測量。

控制點布設測量完成后，在相對定向正射影像基礎上，處理絕對定向，導入控制點的絕對坐標高程，檢查絕對定向點的誤差，刪除誤差較大的點。最后完成控制點的檢查后，生成最終的正射影像圖，確保結果能滿足地理信息數字成果的要求【6】。

4.2 降低誤差，離散點測量

正射影像圖中，因植被及其他物體遮擋，最終的高程與地表實際高程會存在一定的誤差，此外，地面模型數據難以真實反映出道路、河流的實際狀況，因此，需要補充離散點高程測量。傳統多采用RTK進行碎步測量，其中最重要的是離散點的選擇，在選擇中，要能反映出實地的真實形態，如懸崖、陡坎、田坎等。在應用中RTK碎步測量花費的人力和時間較多，可以采用無人機搭乘激光雷達掃描采點，這種適用于環境面積較小的工程測量中，大范圍采用會出現海量的信息數據，需要計算機較高的處理性能，最終形成正射影像圖和數字高程模型。

5 結語

綜上所述，無人機測繪和地理信息系統平臺的發展和應用，能讓設計人員擺脫原有設計流程，在分析三維真實場景圖像的基礎上進行設計，最終對整個項目設計過程和結果加以虛擬現實化，能將地形、地物、社會環境、生態環境等因素考慮其中，在工程設計和建設中發揮著重要的作用。未來研究中，要結合應用現狀，認識到無人機測攝與地理信息系統在工程應用中的作用，對其系統完善做出進一步的探討。