工程測繪中無人機(jī)遙感測繪技術(shù)應(yīng)用分析

馮驥

（福建省測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心，福州 350001）

無人機(jī)遙感測繪技術(shù)將無人機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、通信技術(shù)和GPS技術(shù)等多項(xiàng)新興技術(shù)結(jié)合，可以在較為復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行專業(yè)的測繪工作。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，并日臻成熟，在數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理方面都為工程測繪領(lǐng)域帶來了新的能量。因此，明確無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域的優(yōu)勢和應(yīng)用要點(diǎn)，有利于后續(xù)對該技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域應(yīng)用的改進(jìn)與創(chuàng)新，使其更好地服務(wù)于工程測繪工作。

1 無人機(jī)遙感測繪技術(shù)及其優(yōu)勢

科技水平的不斷提升，使得工程測繪領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)手段不斷更新迭代，無人機(jī)技術(shù)的成熟促使著無人機(jī)遙感技術(shù)在各行業(yè)的生產(chǎn)工作和人們的日常生活中發(fā)揮著越來越多的作用，因此充分了解無人機(jī)遙感測繪技術(shù)有利于更好地將其應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。當(dāng)下所說的無人機(jī)遙感測繪技術(shù)，就是利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)對目標(biāo)對象進(jìn)行影像資料的采集，為工程測繪工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。無人機(jī)遙感測繪技術(shù)主要涉及到傳感器、無人駕駛、通信和遙感技術(shù)等[1]，將這些先進(jìn)的技術(shù)結(jié)合來完成對目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)遙感測繪技術(shù)系統(tǒng)組成分為2個部分，分別是空中部分和地面部分，其中地面部分主要負(fù)責(zé)航線的規(guī)劃、數(shù)據(jù)的接受等工作，空中部分又分為飛行平臺、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和測繪遙感系統(tǒng)這幾個部分，空中部分主要完成的任務(wù)就是收集數(shù)據(jù)并發(fā)送給地面，無人機(jī)遙感測繪系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無人機(jī)遙感測繪系統(tǒng)組成

相較于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)而言，無人機(jī)遙感技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域主要表現(xiàn)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：首先，是工作效率高，通過對無人機(jī)遙感技術(shù)在工程測繪工作中的實(shí)際應(yīng)用情況來看，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)呈現(xiàn)出極高的數(shù)據(jù)采集效率，無人機(jī)在目標(biāo)對象與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間建立起聯(lián)系，在進(jìn)行工程測繪工作過程中，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)直接將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)，這對于提高工程測繪工作的效率有著極大的幫助。其次，是操作便捷，相較于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)而言，無人機(jī)更易于學(xué)習(xí)和操作，數(shù)據(jù)可以通過軟件系統(tǒng)自動處理，降低人工的學(xué)習(xí)成本。無人機(jī)還具有設(shè)備自檢功能，因此在進(jìn)行工程測繪工作中可以大大減少設(shè)備檢測和故障處理的時間[2]。無人機(jī)還可以深入到環(huán)境條件較差的地區(qū)，幫助工作人員快速地對這些地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提高工作效率。第三，是“低投入、高回報”，相對于傳統(tǒng)測繪手段，無人機(jī)遙感技術(shù)觀測效率高且成本低，在實(shí)際工作過程中可以將無人機(jī)遙感測繪技術(shù)與GPS技術(shù)相結(jié)合來充分提高工程測繪的工作效率。此外，無人機(jī)可以改進(jìn)互視和拐點(diǎn)測量等傳統(tǒng)的工作形式，節(jié)約了工作時間，降低了人力成本，與此同時還確保了工作人員的人身安全。

2 無人機(jī)遙感測繪技術(shù)分析

2.1 傾斜攝影測量原理

將多個航攝鏡頭裝載至1個飛行平臺上，使其按照預(yù)設(shè)的航線飛行，沿途對垂直、前、后、左、右等多個角度進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，通過這樣的方式收集到的影像信息更加完整、真實(shí)，這就是傾斜攝影測量的技術(shù)原理。在相機(jī)進(jìn)行拍攝時，可以記錄下當(dāng)時的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，在后期通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以制作出真實(shí)度極高的實(shí)景三維模型，從而直觀地呈現(xiàn)出實(shí)景樣貌和特征[3]。傾斜攝影測量原理如圖2所示。

圖2 傾斜攝影測量原理示意圖

2.2 技術(shù)路線

關(guān)于無人機(jī)遙感測繪技術(shù)傾斜攝影測量的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 無人機(jī)遙感測繪技術(shù)傾斜攝影測量的技術(shù)路線

2.3 影響無人機(jī)航測精度的因素

相較于傳統(tǒng)的工程測繪手段而言，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)的測量位置精度已經(jīng)有了非常顯著的改善，但仍然存在一些因素會對成果位置精度產(chǎn)生影響，主要包括像控點(diǎn)的設(shè)計布置、影像數(shù)據(jù)的影像質(zhì)量、航片重疊度和航高等，除此之外還有環(huán)境因素，包括地形地貌、天氣等。

3 無人機(jī)遙感測繪技術(shù)的應(yīng)用范圍

隨著無人機(jī)遙感測繪技術(shù)的成熟，越來越多的行業(yè)將其投入實(shí)際的生產(chǎn)工作當(dāng)中，借用先進(jìn)的技術(shù)手段來有效提高工作效率和質(zhì)量的同時，還可以在一定程度上降低成本。當(dāng)下無人機(jī)遙感測繪技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域。

3.1 收集影像信息

在建筑工程行業(yè)進(jìn)行施工平面圖的繪制工作時就可以將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來。在實(shí)地進(jìn)行無人機(jī)遙感技術(shù)測繪工作之前，相關(guān)工作人員需要結(jié)合工程需求、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及外界環(huán)境因素和天氣因素等諸多條件，對無人機(jī)遙感技術(shù)測繪工作的航線、飛行參數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，并進(jìn)行一定的試飛，將各項(xiàng)指標(biāo)調(diào)整至合適的狀態(tài)。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)時，雖然設(shè)備自身配備有效的控制系統(tǒng)，但仍然需要相關(guān)工作人員對其進(jìn)行監(jiān)控和控制，以此來保證無人機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在進(jìn)行工程測繪工作時，無人機(jī)遙感技術(shù)可以為測繪區(qū)域內(nèi)識別到的地物生成矢量數(shù)據(jù)，保證了位置信息的準(zhǔn)確性[4]。除此之外，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)還可以生成三維模型，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接將輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算處理，導(dǎo)出精度極高的三維模型，為工程領(lǐng)域的后續(xù)工作步驟提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。無人機(jī)采集后生成的某地區(qū)實(shí)景三維模型如圖4所示。

圖4 某地區(qū)實(shí)景三維模型圖

3.2 低空作業(yè)

將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到低空作業(yè)中，主要是因?yàn)椴糠值貐^(qū)自然環(huán)境較為復(fù)雜，人力難以到達(dá)，或者是通過人工的形式來完成任務(wù)有著較高的危險系數(shù)；除此之外，在部分山區(qū)由于空氣流動性強(qiáng)，高空作業(yè)會降低無人機(jī)工作的穩(wěn)定性，且密集的云層也不利于無人機(jī)進(jìn)行高空數(shù)據(jù)收集。在這些情況下，就可以利用無人機(jī)來進(jìn)行低空作業(yè)，通過設(shè)定好的參數(shù)與飛行路線，讓無人機(jī)以一種較為輕松的姿態(tài)在安全的環(huán)境下更好地完成工作任務(wù)。

4 無人機(jī)遙感測繪在工程測繪中的應(yīng)用——以露天礦區(qū)為例

4.1 測區(qū)概述

某地露天煤礦大都使用高臺階開采，邊坡高度約在百米之內(nèi)，整體地形復(fù)雜，變化多樣，走向長度從幾百米到幾千米不定。利用傳統(tǒng)的工程測繪手段對露天礦區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時有一定的安全隱患，在部分坡度較大的危險區(qū)域，測繪人員無法到達(dá)該地進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)采集，這就會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，影響后續(xù)方案的準(zhǔn)確性[5]。除此之外，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)收集到的只是礦區(qū)部分坐標(biāo)的測繪數(shù)據(jù)，沒有一個全面、直觀的實(shí)景信息，也為后續(xù)的礦區(qū)開采工作的規(guī)劃設(shè)計帶來了不確定性。而且礦山地形變化頻繁，相對于傳統(tǒng)測繪手段，無人機(jī)遙感技術(shù)低成本高效率的優(yōu)勢可以使其進(jìn)行多次反復(fù)測量。正因如此，受露天礦區(qū)的地形復(fù)雜多變因素的影響及對于后續(xù)礦區(qū)規(guī)劃設(shè)計工作的重視，將無人機(jī)遙感測繪技術(shù)引入到露天礦區(qū)測繪工作中，可以很大程度上改善目前露天礦區(qū)測繪工作面臨的一些困境，并在實(shí)際應(yīng)用中對無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在露天礦區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行觀察與分析。

4.2 航飛方案制定

工作人員在利用無人機(jī)進(jìn)行測繪工作之前，需要對測區(qū)進(jìn)行充分的了解，根據(jù)測繪區(qū)域面積、地形特點(diǎn)和工程在精度要求上的要求制定一個適當(dāng)、合理的航飛方案，與此同時還需要考慮到對測繪工作可能產(chǎn)生影響的各種因素。

航飛方案的設(shè)計主要由以下幾點(diǎn)構(gòu)成：拍攝區(qū)域劃分、飛行參數(shù)設(shè)計及像控點(diǎn)分布方案，利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行工程測繪工作時也需要遵循工程測繪行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來確定基準(zhǔn)面的高程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行航線設(shè)計[6]。

（1）飛行參數(shù)設(shè)計。航高、航向重疊度、旁向重疊度和航線等都是飛行參數(shù)設(shè)計的范疇。首先應(yīng)通過相對航高的計算公式來得出符合本次測繪精度要求的航高，再在綜合考慮影響航測因素的基礎(chǔ)上利用處理軟件得出適當(dāng)?shù)暮较蛑丿B度與旁向重疊度2個參數(shù)。確定好以上參數(shù)后，再利用專業(yè)的航線規(guī)劃軟件對航線進(jìn)行模擬調(diào)整。

（2）拍攝區(qū)域劃分。拍攝區(qū)域的劃分主要是根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行，當(dāng)拍攝面積較大時，一般會結(jié)合無人機(jī)續(xù)航時長、地形變化情況等因素將一整個拍攝區(qū)域按照一定規(guī)則劃分為便于進(jìn)行測繪工作的小區(qū)域完成進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

（3）像控點(diǎn)分布方案。結(jié)合上述拍攝區(qū)域和航線的設(shè)計在測繪區(qū)域內(nèi)進(jìn)行像控點(diǎn)的布置，確保測繪區(qū)域在控制范圍內(nèi)，像控點(diǎn)的分布要結(jié)合測繪區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行疏密的調(diào)整，以此來適應(yīng)不同的測繪區(qū)域。

（4）航測時間。為了無人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，測繪工作的進(jìn)行更加順利，航測時間大都選在天氣情況良好、太陽高度角較大的時候，合適的航測時間可以保證測繪區(qū)域能見度高，影像陰影面積小，影響無人機(jī)工作的外界因素更為穩(wěn)定，有利于無人機(jī)工作的正常進(jìn)行[7]。

4.3 外業(yè)測繪

外業(yè)測繪階段也是利用無人機(jī)遙感技術(shù)來完成數(shù)據(jù)采集工作，由露天礦區(qū)數(shù)據(jù)采集和像控點(diǎn)布置測量2個步驟組成，第一步采集測繪區(qū)域成片的數(shù)據(jù)，第二步采集像控點(diǎn)的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，像控點(diǎn)中的數(shù)據(jù)后期將進(jìn)入空三運(yùn)算，以此來保證三維實(shí)景模型中具有實(shí)際的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理階段使用的是由Bentley公司研發(fā)的名為Context Capture的軟件，該軟件功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性強(qiáng)，該軟件利用多視圖三維重建技術(shù)對照片素材進(jìn)行處理，經(jīng)過一系列操作完成三維模型的建立，整個過程高度自動化，經(jīng)由該軟件構(gòu)建出的三維模型精確度可達(dá)到毫米級別[8]。該軟件對照片素材的處理流程如圖5所示。將照片素材導(dǎo)入到軟件中之后，軟件也可以利用網(wǎng)絡(luò)計算的方式來有效提高數(shù)據(jù)處理的效率。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

將照片素材導(dǎo)入到軟件中后。軟件會根據(jù)照片上所攜帶的信息及相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)對素材進(jìn)行分組，為后續(xù)的空三加密做好準(zhǔn)備工作。照片素材在經(jīng)過像素點(diǎn)控制和空三加密后進(jìn)入到實(shí)景模型建立的階段，軟件會根據(jù)三維模型形狀從航拍數(shù)據(jù)中選出適當(dāng)?shù)募y理對模型進(jìn)行著色，最后輸出實(shí)景三維模型。輸出成果之后可以利用傳統(tǒng)的檢測方法對實(shí)景三維模型的部分明顯地物點(diǎn)進(jìn)行精度檢測，經(jīng)過計算得知，本次無人機(jī)遙感技術(shù)在露天礦區(qū)中的測繪誤差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。最后將該實(shí)景模型成果導(dǎo)出，為后續(xù)的露天礦區(qū)開采工作提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在工程測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和成熟，是當(dāng)下工程測繪工作中的首選技術(shù)手段之一，因其具有高效率、高準(zhǔn)確度及成本低廉等優(yōu)勢，在工程測繪領(lǐng)域廣受好評。但與此同時，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些亟待解決的問題，還需要相關(guān)工作單位加大研究力度，充分挖掘無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，解決當(dāng)前暴露出的應(yīng)用問題，讓無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在今后為工程測繪提供更多的幫助。