工程測量中無人機航測技術的應用研究

鄒水寶

福建閩晟勘測規劃有限公司，福建，福州，350011

0 引言

隨著信息時代的到來，無人機發展迅速，在許多行業中發揮著很大的作用。無人機具有體積小、靈活性強、操作簡單等優點，為工程測繪和數據采集創造了有利條件。無人機測量技術可以解決復雜的工程測量技術問題，不僅有效提高了工程測量的效率，而且可以應用于許多領域來保證數據測量的準確性，促進工程安全測量的順利進行。無人機航測技術使局部數據得到更新，滿足了工程測量高精度的要求，促進了測繪信息產業的發展和進步[1]，其廣泛應用是現代社會發展的必然趨勢。隨著我國社會經濟的穩步發展，無人機攝影技術也得到了廣泛的應用。本文系統概述了無人機空中測量的技術知識，希望這些內容有助于讀者更好地理解無人機航測，從而促進技術進步和發展。

1 無人機航測技術的原理

無人機是由無線電設備控制或編程的小型飛機。無人機技術用于工程測量需要高分辨率相機或機載激光定位器的技術支持，以及數字圖像手段的使用，如裝載數碼相機和數字視頻錄像機。無人機航測系統的測量主要需要高分辨率圖像數據的快速處理和反饋、實時對地觀測能力和信息處理能力。因此，測量需要視頻信息采集與處理系統的支持。圖像信息采集系統包括飛行控制系統和地面控制系統。無人機在空中構建航空立體圖像時，將獲得沿飛行路線的垂直航空圖像。航向覆蓋率通常為70%，橫向重疊率約為50%。

照片匹配是指在相同距離的兩個不同位置拍攝同一目標的照片。為了處理接收到的信息，需要將數據集成到文件中，并實時處理無人機拍攝的大量圖像。目前，用于無人機工程測量的遙感信息處理系統一般由空中三角測量系統和三維仿真系統組成，在工程測量中起著重要作用，是保證測量精度的關鍵。空中三角測量系統將首先研究并確定軌跡，對其進行分類和整合，確定它們之間的關系，然后對圖像進行內部定位，并通過分析無人機獲得圖像的共軛點布局，例如測量控制點，通過計算方程形成全維三維模型，實現構建模型的目標，最終得到核心圖像。從技術的實際應用來看，無人機航測是一種現代化、更先進的信息獲取方法，它不僅在降低環境要求的前提下保證了測量精度，而且具有操作簡單方便的優點。無人機工程測量前，相關工程技術人員應首先檢查無人機的質量和性能，及時消除存在的問題和異常。

2 無人機航測技術的特點

（1）無人機的高度靈活性。首先，無人機在起飛、著陸和飛行調整方面與大型飛機相比具有明顯優勢。由于無人機在不受氣候干擾的情況下多用來測量低空條件，因此其工作更加靈活。在起降控制過程中，只需稍微平整的地面，無需建立專用機場，整體場地配置較低。在技術的不斷發展下，無人機的爬升高度達到千米，覆蓋面達到數十平方公里，在航測中具有很大的實用性。

（2）無人機的高效性。考慮到山區、林地等特殊情況，在使用無人機時，也可以通過攝影方式進行記錄。此外，隨著無人機技術的發展，其續航時間短的缺點也隨之得到完善，因此它可以更持久地進行測量，有效提高工程測量的效率。此外，無人機需要的工作人員相對傳統測量也更少，這樣不僅能有效地進行測繪，還能減少測繪成本，從而更加有效地開展測繪工作。

（3）無人機的高性價比。一方面，對設備成本來說，隨著技術的不斷發展，無人機的價格越來越低，以大疆為例，大疆精靈4RTK版本的無人測量設備從開始的大幾十萬到現在的兩三萬就可以買到，同時還帶有機身損傷的保險，所以在相同的測量任務中，不僅硬件成本優于大型飛機，運營成本更低，而且節省了更多的維修成本。與傳統的測量方法相比，無人機在獲取測量信息時具有更高的及時性、更低的運行成本和更好的無人復雜度，能夠在短時間內完成高精度的工程任務。

（4）無人機的安全性。過去，在工程測量中受限于技術手段，更多地依靠人工測量方法，然后才開始發展航空測量。然而，在特殊的工程條件下，它可能會威脅到人員和測量設備的安全，并造成一定的危害。無人機航測的實用性直接擺脫了周圍空間的限制，無需人員直接參與，無人機本身具有很高的可控性，可以實現自動故障恢復和安全避讓，大大提高了測量安全性，促進了航拍的發展[1]。

3 無人機航測技術的應用現狀

隨著無人機技術的突飛猛進，無人機的使用范圍也越來越廣泛。各國競相投入無人機研究，我國也在無人機開發方面取得了重大突破，成為無人機產品的主要出口國。在高需求下，無人機技術也在不斷提高。此外，無人機具有較高的適用性，不斷發展、逐步融入各個應用領域，推動技術創新。無人機技術不僅推動了工業發展，而且服務于國民經濟建設，具有顯著的經濟效益。無人機技術的不斷進步與低空遙感技術的新突破相結合，大大提升了無人機航測技術在工程測量中的實用價值。無人機航測通常使用低空（200～1500m）無人機進行，既可以提供足夠的成像精度，又避免云層對圖像的影響。在實際操作過程中，無人機安裝了航空數碼相機，然后通過自身的控制模塊進行檢測。隨著技術的進步，航測儀器主要通過GPS提供自主導航服務，航測數據的采集和處理可以在飛行控制過程中同時進行。在傳統的工程測量中，人們更依賴于人，而無人機航測提供了一種有效的替代方案，提高了測繪的整體效率。同時，在實際應用中，航測無人機具有較高的飛行靈活性、工程測量效率和數據精度，它可以突破工程測量的諸多局限性，避免人工測量的不便。

4 無人機航測技術的實際應用

4.1 在水利工程中的應用

為獲取安全性能測量數據，滿足水利工程建設的需要，可采用無人駕駛航測。在實際測量之前，需要提前規劃無人機的航路，結合測量的工程需要選擇無人機的控制位置，避免大地測量對測量精度的影響，提前確定測量方向和近似飛行軌跡。考慮到圖像清晰度和航空數據準確性，必須仔細規劃，以優化無人機攝影的效果。在實際航測中，通常會將航路數據輸入無人機設備中，這樣可以有效簡化航測過程，讓無人機進行自動化測量，降低無人機的控制難度。例如在水庫監測項目中，無人機可以有效地對全景進行拍攝。眾所周知，水庫及周邊的地形測繪是相對難度較高的，主要是傳統測繪中人和儀器設備難以到達，無法準確采集相關數據，自從有了無人機航測技術后，該項工作變得更為簡單、高效且安全。

4.2 在水污染治理工程中的應用

藍藻等水生植物因水污染過度繁殖，嚴重損害了水質，造成多種環境危害。因此，有必要控制藍藻的數量，以控制水污染，尤其是在目前已有的水污染環境中。在實際的水污染檢測中，應合理設置藍藻檢測點，有效獲取藍藻的繁殖和生長情況，無人機的檢測可靠性更適合航測，在水污染監測中發揮了突出作用。應用無人機可以實時傳輸檢測到的藍藻數據，并通過高精度圖像顯示污染事實，便于后續的污染控制。在實際檢測中，污染數據的采集不僅要依靠無人駕駛飛機，還要依靠人的參與，從而盡可能保證測量精度。為了滿足各種測量要求，無人機在攝像機的選擇上主要采用焦距鏡頭。因此，應提前進行焦距測量，合理確定焦距和畸變，以提高航測的精度。

4.3 在環境治理工程中的應用

由于氣候條件復雜，傳統的測量方法無法保證測量的準確性，影響環境監測的質量。無人機可以減輕其干擾，獲得準確的環境數據，為環境治理奠定全面的基礎。以水資源與環境管理為例，無人機航測主要通過可見波段提取方法獲取水植被特征數據，將航測數據轉化為信息，描述植被特征，確定水生植被的麻風病程度。另一方面，無人機航測可以用于緊急情況下的快速測繪。在執行應急環境測繪任務時，可以盡快采集檢測區域的環境數據，通過航測有效采集數據，然后訪問服務器完成數據分析，獲得DTD、DSM等影像測繪結果[2]。

4.4 在突發事件處理中的應用

在救災中，效率是最重要的。在地震等突發性和大規模自然災害的情況下，快速完成地形測量是有效和快速響應的基本前提。為了使應急救援更加及時，借助無人機和航測技術，可以快速完成災區地形測量，航測數據主要依靠圖像，可以極大地方便救援行動，為救援計劃提供重要支持，使現場救援更有針對性。例如青海省玉樹地震中，山區和河流再加上雨天，加劇了災區環境監測的困難程度。如果采用載人航空遙感技術，震區監測的有效性無法保證，也難以獲得災區的實時圖像，不利于救災；而在實踐中，無人機航拍則大大降低了地震區成像的難度，可以在災區進行實時觀測，極大地方便了救災指導，充分體現了航拍在應急處置中的優勢。

4.5 在特殊地形環境中的應用

無人機測量技術也用于設計其他要求高測量精度的主要工程設施。首先，根據項目的實際需要確定測量區域，并進行現場研究，確定空氣濕度、風向、坡度等。根據測量對象精度的要求，在設計攝影和航測方法時，還需要校正無人機攝影過程中的圖像失真。為了確保測量的準確性，每個圖表需要設置數個檢查點，建立數字高度模型，并接受質量檢查。執行航測任務的無人機非常容易受到氣流的影響，導致角度超過標準或偏離路線，因此在無人機航測過程中需要把握測區狀況，如天氣、地形、磁場等。目前，工程建設的特殊生態區越來越多，如密林、山區等，無人機可以克服這些特殊地形測量的空間限制。通過無人機，工程測量結果更加準確有效。在工程實踐中，由于航測系統基本成熟，而無人機可以提高工程測量的智能化水平，總體控制難度不高，能夠滿足大多數特殊地形的需要。因此，無論是新農村建設還是土地測繪的應用，都可以反映無人機航測的優越性。

在復雜的地質條件下，水利工程施工過程中的局部測量經常出現一定的危險性。例如，難以測量流域內的湍流和危險海灘，測量員獲得的數據精度較低；盆地和峽谷的河流曲率較淺，難以測量；森林植被密度高，有毒昆蟲多，嚴重威脅測繪人員的人身安全，導致測繪項目進度緩慢且不安全。在此基礎上，利用無人機航測技術對整個工程空間進行精確測量，不僅可以縮短測量時間、進一步提高測量質量，還可以保障測量人員的安全。總之，無人機測繪技術的應用大大提高了工作的效率和安全性。

4.6 在城市規劃中的應用

無人機航測技術在城市規劃中的應用，有助于提高抽樣精度、統計規律與數據分布特征的一致性。隨著城市化進程的推進，數據采集具有越來越重要的意義。目前，無人機航測方法可以改善地形特征模擬，促進城市建設。當需要某些特定領域的數據時，應用該技術可以進行多方面的綜合數據采集，不斷豐富參考數據庫，使建筑行業能夠進行理性分析，從而提高城市建設的質量。在這個過程中，數據收集容易出現波動。因此，必須以更加合理的方式完成數據收集。

4.7 在礦山測量中的應用

礦產資源對國家經濟建設和發展至關重要，對社會資源的需求也在不斷增加，相關部門應注意這一點，并通過先進的技術減少運營過程中對環境的破壞。此時，借助無人機測量技術，可以及時獲得可靠的信息（包括視頻數據和地形數據），尤其是在惡劣的工作條件下。為了解決資源開發帶來的環境保護問題，通過無人機的航拍及航測技術可以及時發現并防止胡亂挖掘現象和破壞情況數據采集的行為，減少對當地環境的破壞。

4.8 輔助自然資源管理

國土空間規劃、土地利用現狀、海洋污染調查、土地開發、復墾等作為土地管理過程中重要的組成部分，其基礎數據的獲取離不開新型測繪技術，集中無人機航（拍）測可以作為主要數據的獲取手段之一。通過無人機航拍可以及時獲取土地的利用現狀、有助于解決土地調查中的矛盾；無人機航測的實施將使土地規劃更加可行，方案設計更加合理，從而提高土地規劃的效率和整體工作質量；通過無人機航拍技術可以有效地針對海洋垃圾污染進行監測，并對污染情況進行測繪；通過無人機航拍可以對土地開發、復墾前后進行直觀、有效的對比，且無人機航測還能有效地完成土地開發和復墾后實際開發的工程量結算。因此，無人機在自然資源管理領域也是不可或缺的。

5 結語

綜上所述，在技術進步的推動下，無人機航測取得了顯著成效，廣泛應用于城市規劃、工程建設、生態監測、自然資源管理等各類工程測繪業務，實現了良好的技術效果，彌補了傳統測量方法的差距，促進了工程測量的技術創新。從技術角度看，無人機航測結合了工程測量，具有高精度、高靈活性和高效率，能夠適應各種工程測量。依托無人機航測的技術優勢，整體測量質量大大提高。然而，結合工程實踐可以看出，無人機航測也存在不足，尤其是在穩定控制和續航時間方面。因此，無人機航空測量需要進一步改進，以滿足更高的工程測量要求。