無人機航測技術在工程測量中的應用分析

王衛勝

（甘肅遠騰勘測設計工程有限公司，甘肅 蘭州 730050）

1.無人機航測技術概述

1.1 技術原理

無人機航測技術是將無人機作為飛行平臺，在平臺中配置高分辨率攝影儀器與激光雷達等裝置，基于影像信息采集系統，遠程控制機載設備開展測繪影像采集與同步傳輸作業，從而實時掌握測區情況。同時，影像信息采集系統由地面監控以及飛行控制系統加以組成。在無人機航測期間，地面監控系統負責對所獲取影像信息進行整合預處理、質量檢測、構建三維立體模型與生成核線影像。而飛行控制系統負責操控無人機按預定航線飛行，將航線重疊度與旁向重疊度分別控制在70%與50%。在特殊情況下，工作人員遠程控制無人機躲避障礙物與修改航線[1]。

1.2 技術優勢

1.2.1 機動靈活

與傳統航空攝影測量技術相比，無人機航測技術具有快速航測反應能力，無人機往往處于低空飛行狀態，飛行質量、機身顛簸度與測量精度并不會受到氣候條件的明顯影響，且空域申請較為便利。同時，在無人機飛行期間，當出現風向變化時，雖然會對無人機飛行線路造成影響，但依靠飛行控制系統，可以在短時間內對無人機航線進行修正處理，以減小外部環境對測量精度造成的影響。

此外，無人機作為一種小型飛行器，對起降場地要求較低，僅需在一段較為平整的路面，即可安全完成無人機起降操作，并將升空準備時間控制在15min以內。而在測區現場地質條件過于復雜時，無法通過自力發射方式起飛時，工作人員還可選擇采取彈簧起飛與垂直起飛方式，向無人機提供充足的升力。

1.2.2 測量精度高

在無人機航測系統中搭載有數字彩色航攝相機與數碼相機等設備，在系統運行期間，可以持續獲取超高分辨率的數字影像以及高精度定位數據，并將數據信息生成三維景觀模型及三維正射影像圖，最終測量的成像質量與精度都明顯超過大飛機航拍測量成果。同時，無人機航測技術還可以切實滿足不同類型工程測量任務的精度要求。例如，將無人機航測系統切換至低空遙感模式，在低空與超低空環境下完成測量作業，持續采集低空精準數據，滿足應急救災等測量任務的作業需求。同時，將系統切換至高空作業模式，持續獲取高空信息數據，以滿足資源勘測等類型測量任務的作業需求。

1.2.3 檢測效率高

在應用傳統航空攝影測量技術時，往往面臨著數據時效性差的問題，存檔數據與編程拍攝獲取的影像數據時效性較差，無法在限定時間完成測量任務，且測量結果與測區實際情況不符。無人機航測技術的應用，可以同步傳輸所獲取的影像信息，并開展數據處理操作，從而向用戶實時提供所需成果。從檢測效率來看，無人機航測系統每天可完成數十至上百平方公里區域的測量作業，實際測量效率遠超過人工測繪。

1.3 技術要求

為充分發揮技術優勢，最大程度減小外部環境與人為等因素對工程測量精度造成的影響，在應用無人機航測技術時，必須滿足以下技術要求：第一，系統全面檢查。對所配置數碼相機與數字彩色航攝相機等設備的運行狀態進行檢查，及時發現并解決設備潛伏故障。同時，根據工程測量作業需求，對無人機航測系統結構與使用功能進行優化調整。第二，對測區現場環境進行初步勘察，判斷是否具備無人機起降條件，結合地質地貌結構與氣候條件來規劃無人機航線。第三，在無人機航測期間，工作人員必須嚴格遵循技術流程，禁止出現違章操作與私自篡改航測流程等問題。

2.無人機航測技術在工程測量中的應用流程（圖1）

2.1 檢查校正設備

在無人機航測前，工作人員對機載設備與無人機運行工況進行全面檢查，重點檢查是否存在設備缺失損壞、攝影設備成像清晰度不達標、數據采集器精度不達標等問題，檢修或更換故障設備，減小設備因素對測量精度造成的影響。隨后，將無人機放至彈射架上，對無人機的姿態角度加以測量調整，依次測試無人機的機頭、機身與尾翼等部位是否可以按指令操作。在確定一切無誤后，將飛行控制系統與機載航拍相機進行連接，將降落傘包處于待命狀態，準備開展無人機起飛操作[2]。

圖1 無人機工程測量流程圖

2.2 控點布設及航線規劃

在控點布設及航線規劃環節，應掌握以下技術要點：第一，對測區現場地質條件與天氣條件進行采集分析，根據測區情況，將測區劃分為若干區域，在各區域內均設置采集點，根據各區域地貌結構確定采集點數量與間隔距離，以此來減小地形條件對測量精度造成的影響。第二，以測區現場氣候條件為主要依據，合理規劃無人機航線，嚴格控制航線重疊度與旁向重疊度，并保持無人機航線與周邊障礙物間的安全間隔距離，避免無人機在飛行期間受風力影響與周邊障礙物相碰撞。第三，在惡劣氣候條件下，需要對無人機航線進行優化調整，在必要情況下禁止開展無人機航測作業。

2.3 數據采集與測繪影像的獲取

在無人機航測期間，工作人員遠程對無人機航測系統進行控制，或是基于程序運行準則，采取多元化無人機航攝手段持續獲取測區內所拍攝的影像資料，常用無人機航攝手段包括豎直攝影像、多基線攝影、交向攝影以及傾斜攝影等。隨后，對多視影像數據進行匹配處理，在數據匹配結果基礎上構建空中三角測量網絡，對數據進行光束平差處理。與此同時，在必要情況下，可選擇使用DOM與DEM等產品，依靠無人機航測系統自動開展數據采集與測繪影像獲取作業[3]。

2.4 數據處理

在無人機航測數據處理環節，主要分為數據準備以及數據解算步驟。其中，在數據準備步驟，工作人員將無人機航測系統中所存儲測繪影像數據進行導出，對航拍位置以及影響數據進行處理，如調整旁向傾斜角與分類整理航測數據信息等。同時，對影像數據質量與無人機整體情況加以檢查評估，如貼線率及姿態角度，如果評估結果不佳，表明所獲取測繪影像的完整度與成像質量較差，在必要情況下進行復飛。而在數據解算步驟，根據已知數據信息構建位置坐標體系，繪制位置坐標圖，將坐標值與測區現場實際位置加以匹配處理。隨后，對相應參數進行處理規劃，基于控制點位置選擇坐標體系，并完成DOM數據處理作業即可[4]。

3.無人機航測技術在工程測量中的具體應用

3.1 在環境治理工程中的應用

在環境治理工程中，對無人機航測技術的應用，可以有效減小復雜氣候條件對環境監測質量造成的影響，全面掌握測區生態環境情況，為后續環境治理工作的開展提供信息支持。例如，在水環境治理工程中，無人機航測技術的應用價值包括：第一，可見光波段提取植物。采取變通VDVI算法，采取可見光波段提取法，在短時間內即可從所獲取測繪影像中提取植被特征，以判斷水環境中藍藻等水生植物的生長情況，判斷是否存在水生植物過度繁殖問題。第二，應急快速成圖。在特殊情況下，為快速掌握測區環境情況，需要運用無人機航測技術，迅速掌握測區相關情況，運用無人機在高空快速獲取測區影像資料，并在服務器端直接完成數據處理與計算過程，從而生成鑲嵌正射影像、DSM影像與DTM影像等成果。

3.2 在復雜地質條件下的應用

當前在部分工程項目中，現場地質條件較為復雜，分布著湍急河流、險灘、峽谷等復雜地形，受到地理環境限制，傳統航空攝影測量技術與人工測量技術不具備實際應用價值，測量精度較低，在測量期間容易出現突發問題。無人機航測技術的應用，可以有效解決以上問題。首先，工作人員通過無人機航測系統與飛行控制系統，可以遠程調整航攝相機角度來獲取測繪影像，全面掌握測區情況與地物信息。其次，面對河流險灘等復雜地形，憑借無人機機動靈活優勢，工作人員可以根據現場情況實時調整機身修正無人機航線，并操縱無人機開展各項高難度飛行動作，將無人機與各類障礙物保持安全間隔距離。最后，開發低空無人機航測遙感系統，組合應用遙感技術與無人機航測技術，系統自動對無人機飛行期間所產生機械振動誤差加以分析修正，以此提高測量精度及測繪影像質量。

3.3 在地形圖測繪中的應用

近年來，隨著技術體系的日益完善，無人機航測技術在大范圍地形圖測繪方面中得到廣泛應用，且地形測繪精度滿足絕大多數工程1∶2000的測量精度要求。例如，在無人機航測期間，在系統中下載并識別DOM數據，在其基礎上創建道路、路堤與建筑房屋等地物標高（圖2）。隨后，依據DOM數據進行分類處理，從所獲取測繪影像資料中提取地物矢量特征，并對數據進行校正細化處理，以此來構建DOM圖形。最后，向CAD軟件中導入矢量化成果，將成圖要求為依據，對測區地圖進行整飾處理，如此，即可生成DMG格式成果，完成地形圖測繪任務。

圖2 無人機航測技術在城市測繪中的應用

3.4 在多尺度大范圍遙感影像快速獲取中的應用

與傳統航空攝影測量技術相比，在多尺度大范圍遙感影像獲取方面，無人機航測技術的核心優勢在于，可組合運用空中三角測量技術，提前在航測系統中設定飛行參數，結合測區情況規劃無人機航線，無人機即可在航測期間持續獲取具備地理坐標的正射影像信息，快速處理由數量不等影像所組成的測繪項目。同時，對調節波段權重、均值因子與尺寸等參數的優化調整，以及對無人機飛行姿態的調整，具備了獲取“多尺度”影像數據與大范圍遙感影像的技術條件，這對工程測量精度與遙感影像質量的提升有著重要意義。

4.結語

在現代工程項目中，為全面提高工程測量精度及作業效率，突破傳統技術的應用局限，企業必須提高對無人機航測技術的重視程度及應用力度，深入了解技術原理與優勢特點，結合工程情況針對性制定無人機航測技術方案，保證航測過程科學合理。