無人機(jī)測攝與地理信息系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

陳楊

（山東省地質(zhì)測繪院，濟(jì)南250002）

1 引言

工程項(xiàng)目施工前期，傳統(tǒng)的測繪方法主要是對地形圖矢量化，再結(jié)合現(xiàn)場調(diào)繪調(diào)查情況，對地形地物加以補(bǔ)充和完善，但這種測繪方法，因原有的地形圖形成的時(shí)間相對較長，地形地物會隨著時(shí)間發(fā)生變化，影響到最終測繪結(jié)果的時(shí)效性，難以滿足當(dāng)前工程項(xiàng)目對精準(zhǔn)測繪的要求?，F(xiàn)代信息技術(shù)的推進(jìn)，無人機(jī)和測攝設(shè)備技術(shù)不斷更新，逐漸應(yīng)用到工程建設(shè)中，測繪更加精準(zhǔn)，成本相對較低，且對復(fù)雜的環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能第一時(shí)間獲取現(xiàn)場的信息數(shù)據(jù)。通過無人機(jī)測繪所獲取的數(shù)據(jù)信息豐富、數(shù)據(jù)量較大，需要地理信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)加以整合處理，最終將所得的數(shù)據(jù)以圖像的形式呈現(xiàn)出來，更好地為工程建設(shè)提供依據(jù)。

2 無人機(jī)測攝系統(tǒng)概述及其在工程中的應(yīng)用

2.1 無人機(jī)測攝技術(shù)概述

無人機(jī)測攝技術(shù)，主要是借助先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)等，自動、智能化地獲取自然環(huán)境、國土資源等信息，完成遙感數(shù)據(jù)的處理和建模。無人機(jī)遙感系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測繪方法相比，具有速度快、投入人員少、成本低等特點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，也逐漸從研究分析到實(shí)際應(yīng)用發(fā)展階段。無人機(jī)測攝最先應(yīng)用于軍事和偵察工作中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化、體積小、精度高的新型傳感器出現(xiàn)，無人機(jī)的性能在不斷提升，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，在工程實(shí)踐中也得到了一定程度的推廣，采用無人機(jī)為飛行平臺，搭載小型數(shù)碼相機(jī)傳感器構(gòu)建的攝影測量系統(tǒng)，應(yīng)用在地理影像測繪的收集工作中。根據(jù)旋翼不同，可以分為多旋翼和固定翼航攝系統(tǒng)，包括飛行平臺、數(shù)字傳感器、影像處理等部分【1】。無人機(jī)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(shí)時(shí)影像的處理相對比較便捷，不需要耗費(fèi)設(shè)備和大量人力的投入。

2.2 無人機(jī)測攝系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

2.2.1 無人機(jī)測攝作業(yè)流程

常規(guī)測繪需要較多的人力物力投入，測量難度相對較大，無人機(jī)測攝作業(yè)有成本低、易操作、響應(yīng)快速等特點(diǎn)，能適應(yīng)更多的難度較大的環(huán)境，有效彌補(bǔ)數(shù)字線劃圖測繪的不足。分析無人機(jī)測攝的環(huán)節(jié)，主要包括以下方面：航線的設(shè)計(jì)，像控點(diǎn)實(shí)地測繪、外業(yè)調(diào)繪等。在航線的設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合工程的實(shí)際需求，了解環(huán)境狀況，從而對航向加以設(shè)定，并設(shè)計(jì)好基線長和航線條數(shù)等信息，借助軟件導(dǎo)入無人機(jī)，確保在天氣條件合適的情況下，對測區(qū)進(jìn)行航拍，獲取相應(yīng)的影像。像控點(diǎn)的確定，可以采用快速靜態(tài)等觀測的形式，采集三維坐標(biāo)，結(jié)合區(qū)域網(wǎng)模式開展。

2.2.2 無人機(jī)測攝在工程測量中的應(yīng)用

大比例尺地形和線路地形測繪中，按照測繪相關(guān)要求，設(shè)置航攝像控點(diǎn)，并采集像控點(diǎn)平面和三維數(shù)據(jù)，結(jié)合原有影像為底圖，設(shè)置坐標(biāo)，并對航向等指標(biāo)要求加以分析。在實(shí)際的工程作業(yè)中，利用無人機(jī)采集影像，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件中，完成影像的匹配和拼接建模，最終形成三維模型，結(jié)合預(yù)設(shè)的像控點(diǎn)外業(yè)數(shù)據(jù)和坐標(biāo)，完成最后影像配準(zhǔn)與外定向，標(biāo)注出建筑結(jié)構(gòu)、地物類別，從色調(diào)、亮度方面重點(diǎn)加以調(diào)整【2】。

3 地理信息系統(tǒng)概述及其具體應(yīng)用分析

3.1 地理信息系統(tǒng)概述

地理信息系統(tǒng)，簡稱GIS，其在建設(shè)和發(fā)展中引起了社會的關(guān)注，該系統(tǒng)中包含了許多子系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理分析、數(shù)據(jù)輸出等系統(tǒng)。GIS技術(shù)，主要是融合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)集成，借助地理空間分析能力和搜索能力，實(shí)現(xiàn)圖形創(chuàng)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(tǒng)在工程中的具體應(yīng)用分析

地理信息系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用程度相對較深，地理工程勘探、項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工等都有重要的影響。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）當(dāng)前行業(yè)發(fā)展中，信息的作用越來越重要，企業(yè)發(fā)展每年會形成大量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)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(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對信息的統(tǒng)一管理和查詢，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的一體化，并建立數(shù)據(jù)庫平臺，借助地理信息技術(shù)空間分析能力，分析用戶需求，將信息精準(zhǔn)、全面地展示給用戶，滿足行業(yè)發(fā)展對空間信息的需求，為行業(yè)發(fā)展和信息決策提供依據(jù)。

2）在工程勘探中有較廣泛的應(yīng)用，通過地理信息系統(tǒng)，能快速獲取工程勘探數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也能有效提升工作人員的效率，減少因數(shù)據(jù)失誤帶來的影響。在具體的應(yīng)用中，要結(jié)合工程的實(shí)際情況，最大限度地發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的作用【3，4】。

3）地理信息系統(tǒng)在工程規(guī)劃中的應(yīng)用。城市、空間規(guī)劃中，地理信息系統(tǒng)是重要的應(yīng)用領(lǐng)域，城市基礎(chǔ)設(shè)施較多，分布廣泛，在城市管理、統(tǒng)計(jì)中借助GIS技術(shù)，能有效提升工作效率，并確保工作的精準(zhǔn)性，給選址及科學(xué)決策提供依據(jù)，能結(jié)合所在區(qū)域的地理環(huán)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(tǒng)在城市的規(guī)劃發(fā)展中有重要的作用。

4 系統(tǒng)組成與工作流程

4.1 航測及數(shù)據(jù)處理流程

航測作業(yè)中，一般采用的無人機(jī)有固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)2種。2種無人機(jī)特點(diǎn)不同，應(yīng)用領(lǐng)域也有差異。固定翼無人機(jī)飛行的速度比較快，但自身負(fù)重相對小，對能承載的設(shè)備重量及起降場地有嚴(yán)格要求。多旋翼無人機(jī)的負(fù)重能力相對較強(qiáng)，飛行過程相對穩(wěn)定，能懸停滯空，可以承載重量較大的測攝儀器。

無人機(jī)搭載千萬級像素?cái)?shù)碼相機(jī)，超廣角鏡頭，在不同的飛行高度航拍照片，分辨率可達(dá)0.05～0.15m，同時(shí)拍照時(shí)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(jī)在低空攝像中，多采用的是普通數(shù)碼相機(jī)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(chǎn)生畸變，需要借助相關(guān)的軟件對照片加以矯正，如采用Dxo Optics Pro，可應(yīng)用于多種類型數(shù)碼相機(jī)拍攝照片的光學(xué)處理、幾何處理和畸變矯正。

在對原始照片進(jìn)行畸變矯正后，考慮到計(jì)算機(jī)處理照片的能力，測量對數(shù)據(jù)精度的需求，可以對照片進(jìn)行分塊處理。分塊處理要遵循以下幾個(gè)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(qū)域。

2）分塊要規(guī)整，以免出現(xiàn)狹長區(qū)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(shù)據(jù)軟件，對其加以分析和運(yùn)算，獲取初步的定向正射影像、地面模型等。然后對所得結(jié)果進(jìn)行檢查，在三維數(shù)據(jù)瀏覽軟件中，導(dǎo)入所得三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，對此加以核查，并剔除異常點(diǎn)。將地面模型及數(shù)字高程模型（DEM）導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)中，載入正射影像數(shù)據(jù)，從而顯示地形三維模型，對模型數(shù)據(jù)的合理性加以驗(yàn)證【5】。

結(jié)合所得的正射影像，對工程目標(biāo)附近布置控制點(diǎn)，對其進(jìn)行測量?？刂泣c(diǎn)的布設(shè)需要滿足以下幾個(gè)條件：

1）控制點(diǎn)布設(shè)要均勻，各點(diǎn)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(qū)域，要增加控制點(diǎn)的密度。

2）控制點(diǎn)在野外實(shí)地位置和照片影像位置可以加以明確辨認(rèn)。

3）控制點(diǎn)的設(shè)置，要選擇固定的不容易被遮擋的點(diǎn)，控制點(diǎn)的選擇上，先在航攝照片上進(jìn)行標(biāo)示，根據(jù)標(biāo)識點(diǎn)進(jìn)行測量，如果實(shí)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(diǎn)附近重新選擇控制點(diǎn)進(jìn)行測量。

控制點(diǎn)布設(shè)測量完成后，在相對定向正射影像基礎(chǔ)上，處理絕對定向，導(dǎo)入控制點(diǎn)的絕對坐標(biāo)高程，檢查絕對定向點(diǎn)的誤差，刪除誤差較大的點(diǎn)。最后完成控制點(diǎn)的檢查后，生成最終的正射影像圖，確保結(jié)果能滿足地理信息數(shù)字成果的要求【6】。

4.2 降低誤差，離散點(diǎn)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(shí)際高程會存在一定的誤差，此外，地面模型數(shù)據(jù)難以真實(shí)反映出道路、河流的實(shí)際狀況，因此，需要補(bǔ)充離散點(diǎn)高程測量。傳統(tǒng)多采用RTK進(jìn)行碎步測量，其中最重要的是離散點(diǎn)的選擇，在選擇中，要能反映出實(shí)地的真實(shí)形態(tài)，如懸崖、陡坎、田坎等。在應(yīng)用中RTK碎步測量花費(fèi)的人力和時(shí)間較多，可以采用無人機(jī)搭乘激光雷達(dá)掃描采點(diǎn)，這種適用于環(huán)境面積較小的工程測量中，大范圍采用會出現(xiàn)海量的信息數(shù)據(jù)，需要計(jì)算機(jī)較高的處理性能，最終形成正射影像圖和數(shù)字高程模型。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)測繪和地理信息系統(tǒng)平臺的發(fā)展和應(yīng)用，能讓設(shè)計(jì)人員擺脫原有設(shè)計(jì)流程，在分析三維真實(shí)場景圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終對整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程和結(jié)果加以虛擬現(xiàn)實(shí)化，能將地形、地物、社會環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等因素考慮其中，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。未來研究中，要結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀，認(rèn)識到無人機(jī)測攝與地理信息系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的作用，對其系統(tǒng)完善做出進(jìn)一步的探討。