無人機(jī)測攝與地理信息系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

高銳凡

摘要：為了準(zhǔn)確反映工程位置地形地物等實際狀況，文章通過無人機(jī)航拍測量的手段，對所采集到的數(shù)據(jù)運用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析建模，結(jié)合航拍影像，還原真實的三維地形，以利于項目初期設(shè)計及后期運營管理。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);地理信息系統(tǒng);航拍影像;三維地形

中圖分類號：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.043

文章編號：1673-4874（2019）07-0144-03

0引言

隨著社會的發(fā)展，人民生活水平條件的不斷提高，全國各地的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在熱火朝天、有條不紊地進(jìn)行著。在工程實施的前期，各種方案的提出、設(shè)計和調(diào)整，需要得到工程項目建設(shè)及時有效的地理信息，傳統(tǒng)的測繪手段是通過對現(xiàn)有的地形圖矢量化，再通過RTK現(xiàn)場調(diào)繪補充地形地物，但由于原有地形圖形成時間相對久遠(yuǎn)，地形、地物發(fā)生了改變，降低了成果的時效性，已不能滿足當(dāng)前工程項目精準(zhǔn)高效的要求。

無人機(jī)和測攝設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和普及，使得過去一般項目無法承擔(dān)的具有高額成本的航空測繪逐漸運用到工程建設(shè)當(dāng)中。無人機(jī)測繪相對載人航空測繪來說更加高效和精確，并且成本較低，轉(zhuǎn)場速度快，對野外復(fù)雜的測量環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。無人機(jī)通過搭載高精度攝像機(jī)，在目標(biāo)上空進(jìn)行低空拍攝，第一時間獲取地貌地物的信息。在取得數(shù)據(jù)的同時，我們還需要一個強(qiáng)大高效的平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因為無人機(jī)測攝取得的數(shù)據(jù)量不同于普通的人工測繪數(shù)據(jù)，是十分龐大的，需要一個系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。地理信息系統(tǒng)（英文名為Geographic Information System，簡稱GIS）在計算機(jī)和軟件程序的支持下，能將所采集到的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、計算、分析、擬合、管理和顯示，所得到的數(shù)據(jù)可通過圖像的形式展現(xiàn)在我們的面前。

1系統(tǒng)組成與工作流程

1.1無人機(jī)航測以及數(shù)據(jù)處理流程

航測所采用的無人機(jī)一般有兩種：（1）固定翼無人機(jī);（2）常見的多軸旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)飛行速度快，但負(fù)重小，對搭載設(shè)備重量較為敏感;多軸旋翼無人機(jī)負(fù)重能力相對較強(qiáng)，能夠懸停滯空飛行，且飛行穩(wěn)定，適合搭載貴重的測攝儀器。

無人機(jī)通過搭載千萬級像素數(shù)碼相機(jī)及超廣角鏡頭，結(jié)合一定的飛行高度，所得到的航拍照片分辨率達(dá)到了0.05～0.15m。拍照時相鄰航線的照片旁向重疊度應(yīng)>30%，相鄰照片航高差<30 m，同一航線內(nèi)航高差<60 m。由于無人機(jī)低空攝像采用的是普通數(shù)碼相機(jī)，受到相機(jī)視角、航線偏角及高差的影響，多幅照片連接會產(chǎn)生畸變，因此需通過軟件進(jìn)行矯正。矯正軟件一般采用Dxo Optics Pro，為法國Dxo Labs開發(fā)的一款用于對各類數(shù)碼相機(jī)拍攝照片進(jìn)行光學(xué)及幾何處理的軟件，其中包括了影像畸變矯正的功能。

原始照片經(jīng)過畸變矯正后，對照片進(jìn)行分塊處理。分塊主要是考慮到計算機(jī)處理照片的能力以及數(shù)據(jù)處理的精度。其分塊處理的原則是：

（1）分塊之間必須有一定的重疊區(qū)域，以便為后期擬合提供對比參照。

（2）分塊盡量規(guī)整，避免出現(xiàn)狹長的區(qū)域。通過分塊，對照片分別進(jìn)行分布式相對定位處理，并且經(jīng)過空中三角測量數(shù)據(jù)軟件分析運算，得到初步的相對定向正射影像（DC）IVl）、加密的三維點數(shù)據(jù)以及地面模型。在得到初步成果后，首先應(yīng)對結(jié)果進(jìn)行檢查，將三維點數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)瀏覽軟件進(jìn)行核查，如存在異常點，應(yīng)將其剔除。其次將地面模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)（GIS）中，并載入正射影像數(shù)據(jù)，顯示地形三維模型，驗證地面模型數(shù)據(jù)是否合理。

根據(jù)得到的正射影像，在工程目標(biāo)地附近布置控制點，并對其進(jìn)行測量。控制布設(shè)應(yīng)滿足以下條件：

（1）控制點應(yīng)盡量布置均勻，間距控制在300～500 m之間，在地勢起伏比較大的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)增加控制點布設(shè)的密度。

（2）控制點在野外的實地位置和照片中的影像位置均可以明確辨認(rèn)。

（3）控制點應(yīng)選擇固定及不易被遮擋的點。對于控制點的選擇，應(yīng)首先在得到的航攝照片上標(biāo)示，再根據(jù)影像圖上的標(biāo)識點進(jìn)行測量，若實地情況與照片不符，不滿足布設(shè)條件，則應(yīng)在原控制點附近重新選點并進(jìn)行測量，新點與舊點距離不宜過大。

完成控制點測量后，在前面已完成的相對定向正射影像的基礎(chǔ)上進(jìn)行絕對定向處理，導(dǎo)入控制點的絕對坐標(biāo)和高程后，通過檢查各個絕對定向點的誤差，將誤差較大的點刪除。

在完成各個控制點的檢查后，便可生成最終的正射影像圖（DOM），結(jié)果應(yīng)滿足《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1：500、1：1000、1：2000數(shù)字正射影像圖》（CH/T9008.3-2010）要求。

1.2降低誤差，離散點測量

由于正射影像圖中有不少地方被植被等物體遮擋，所得到的高程與地表實際高程會有較大的誤差。其次，地面模型數(shù)據(jù)還不能真實反映出道路、河流等地表地物的實際狀況，因此需要補充離散點高程測量。而高程點的采集目前一般采用RTK進(jìn)行碎步測量，離散點的選擇應(yīng)能合理反映實地形態(tài)，如梯田坎、陡坎、斜坡、沖溝、懸崖等均按模型采集，并擇要測注比高;溝渠、河溝每隔5～10 m測溝底高程;公路、街道、鄉(xiāng)村路（路寬>2m）每隔10～15m實測雙線路寬。

上述RTK碎步測量為目前普遍采用的一種方法，但其耗費較多的人力及時間。如果要達(dá)到更高的時效性以及項目有特別的要求，則可運用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行掃描采點，但是其適用于涉及環(huán)境面積小的工程，如大范圍采用，則會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，對計算機(jī)處理性能要求較高。掃描所得到的點都具有三維坐標(biāo)的屬性，而一個物體表面則可看作由眾多的點組成的系統(tǒng)，這些點處在同一個三維坐標(biāo)系統(tǒng)中，我們將點集合稱之為點云數(shù)據(jù)。這些點云不僅可以反映物體的形態(tài)和位置關(guān)系，而且可以通過相機(jī)獲取色彩影像，并將對應(yīng)位置的色彩像素賦予到這些點中，使得物體性狀更加可視化，如圖1所示。

通過上述方法，得到離散點的高程，通過扣減植被高度，調(diào)整地面模型數(shù)據(jù)，形成最終的正射影像圖（DOM）以及數(shù)字高程模型（DEM）。

2工程實例

無人機(jī)測繪以及地理信息系統(tǒng)，已經(jīng)運用于各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之中，如電力輸送基礎(chǔ)工程項目、公路工程項目和市政工程項目等，均已經(jīng)運用并取得良好的實際效果，現(xiàn)以某公路工程為例進(jìn)行分析：

廣西某國道提級改造項目，原道路兩側(cè)地形除部分地段經(jīng)過山腳側(cè)邊緣外，基本都屬于平坦地段，無明顯起伏。設(shè)計線路走向沿途基本為丘陵及山地路段，相對高差在100 m以內(nèi)，山地地質(zhì)為土山，坡度較緩。本項目首先根據(jù)甲方提供的路線走向資料，設(shè)計航拍線路圖（根據(jù)不同地區(qū)設(shè)計不同航拍參數(shù)）如下頁圖2所示。實際航拍范圍大約為25m，航拍得到的原始照片共1499張，平均每平方公里約60張。航拍照片為分辨率達(dá)到0.05～0.15m的影像。

將航拍所得到的影像圖根據(jù)前面介紹的方法進(jìn)行矯正，得到初步正射影像（DQM），如圖3所示。

為提高數(shù)據(jù)處理的進(jìn)度及計算機(jī)利用率，將矯正后的正射影像分塊進(jìn)行空中三角測量數(shù)據(jù)處理。影像為2400萬像素的照片，分塊的數(shù)量不超200張。本項目正射影像采用分布式執(zhí)行相對定向處理，需要利用空間三維數(shù)據(jù)處理軟件中的任務(wù)分配模塊。啟動該模塊，首先加載塊文件，查看網(wǎng)絡(luò)中可以參與數(shù)據(jù)處理的機(jī)器狀況，如是否已經(jīng)在執(zhí)行任務(wù)，是否可見等;將任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)中空閑的機(jī)器上執(zhí)行，并將執(zhí)行的結(jié)果回傳到指定的服務(wù)器目錄下;最后得出加密的三維點數(shù)據(jù)和地面模型，同時檢查生成影像的范圍是否完整，地物連接是否準(zhǔn)確，是否存在錯位等情況。

根據(jù)得到的路線正射影像圖，進(jìn)行圖像控制點的布設(shè)。完成控制點測量后，利用正射影像生成工具軟件進(jìn)行絕對定向及影像的制作。將控制點數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，并將控制點分別設(shè)置為計算點、檢查點和錯誤點。其中，計算點為參與計算絕對定向并參與計算絕對定向的誤差的點;而檢查點為不參與計算絕對定向但參與計算誤差的點;錯誤點則是兩者計算均不參與的點。由此，通過這些點來計算絕對定向控制點和檢查控制點的誤差。

本項目為公路工程，為條狀走廊帶，應(yīng)構(gòu)建公路兩側(cè)數(shù)字地面模型，主要采集公路兩側(cè)的地形，以便更加直觀地反映公路及公路兩旁的地理形態(tài)特征。由于受設(shè)備條件及計算機(jī)性能的限制，本項目采用RTK采集離散點。公路兩側(cè)以外約35m范圍內(nèi)若有溝渠，則采集溝渠底部的高程點;若有陡坎，則采集其坎上坎下的高程點，如圖4所示。

通過離散點對地面模型高程的調(diào)整，得出的地模數(shù)據(jù)與中樁實測數(shù)據(jù)對比如表1所示。

通過上述數(shù)據(jù)的對比分析，地面模型已能較好地反映出公路周邊的地形狀況。數(shù)模成果滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)程的精度要求。山地部分中誤差為0.35m以內(nèi)，平地部分中誤差在0.15m以內(nèi)，已達(dá)到較高精度，滿足工程橫斷面施工圖設(shè)計精度的要求。

本項目在設(shè)計的過程當(dāng)中，由于所采用的地形模型是較高分辨率的正射影像及其地形數(shù)模，工程周圍的地形地物具有很高的辨識度。同時路線設(shè)計采用了西安開道萬公司的（CARD/1）路線設(shè)計綜合平臺系統(tǒng)，其平臺具有開放的底層系統(tǒng)，可以根據(jù)自己的具體需求，編輯功能窗口嵌入系統(tǒng)，使得在設(shè)計改動的過程中得以實現(xiàn)實時動態(tài)，避免以往改線需重新實地測量的過程，使得項目得到良好的后期設(shè)計效果，便于后期服務(wù)管理。

3結(jié)語

本文通過對無人機(jī)測繪的簡單介紹以及其投入實際工程的運用并收到良好效果的實例，表明無人機(jī)測繪及地理信息系統(tǒng)平臺可以使設(shè)計人員擺脫過去傳統(tǒng)的設(shè)計流程，讓設(shè)計人員在地形的三維真實場景下進(jìn)行設(shè)計，從而實現(xiàn)整個項目設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果的虛擬現(xiàn)實化，并能充分考慮地形影響因素、地物影響因素、社會環(huán)境影響因素和生態(tài)環(huán)境影響因素，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的，利于各項基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。