工程測繪中無人機遙感測繪技術應用分析

馮驥

（福建省測繪產(chǎn)品質量檢測中心，福州 350001）

無人機遙感測繪技術將無人機技術、遙感技術、通信技術和GPS技術等多項新興技術結合，可以在較為復雜的環(huán)境中進行專業(yè)的測繪工作。隨著無人機技術的快速發(fā)展，無人機遙感測繪技術在工程測繪領域的應用愈發(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域帶來了新的能量。因此，明確無人機遙感測繪技術在工程測繪領域的優(yōu)勢和應用要點，有利于后續(xù)對該技術在工程測繪領域應用的改進與創(chuàng)新，使其更好地服務于工程測繪工作。

1 無人機遙感測繪技術及其優(yōu)勢

科技水平的不斷提升，使得工程測繪領域應用的技術手段不斷更新迭代，無人機技術的成熟促使著無人機遙感技術在各行業(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遙感測繪技術有利于更好地將其應用于生產(chǎn)生活中。當下所說的無人機遙感測繪技術，就是利用無人機遙感系統(tǒng)對目標對象進行影像資料的采集，為工程測繪工作提供基礎數(shù)據(jù)。無人機遙感測繪技術主要涉及到傳感器、無人駕駛、通信和遙感技術等[1]，將這些先進的技術結合來完成對目標對象的數(shù)據(jù)采集。無人機遙感測繪技術系統(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責航線的規(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就是收集數(shù)據(jù)并發(fā)送給地面，無人機遙感測繪系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無人機遙感測繪系統(tǒng)組成

相較于傳統(tǒng)的測繪技術而言，無人機遙感技術在工程測繪領域主要表現(xiàn)有以下幾點優(yōu)勢：首先，是工作效率高，通過對無人機遙感技術在工程測繪工作中的實際應用情況來看，無人機遙感測繪技術呈現(xiàn)出極高的數(shù)據(jù)采集效率，無人機在目標對象與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間建立起聯(lián)系，在進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)的測繪技術而言，無人機更易于學習和操作，數(shù)據(jù)可以通過軟件系統(tǒng)自動處理，降低人工的學習成本。無人機還具有設備自檢功能，因此在進行工程測繪工作中可以大大減少設備檢測和故障處理的時間[2]。無人機還可以深入到環(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，無人機遙感技術觀測效率高且成本低，在實際工作過程中可以將無人機遙感測繪技術與GPS技術相結合來充分提高工程測繪的工作效率。此外，無人機可以改進互視和拐點測量等傳統(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 無人機遙感測繪技術分析

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，使其按照預設的航線飛行，沿途對垂直、前、后、左、右等多個角度進行影像數(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，這就是傾斜攝影測量的技術原理。在相機進行拍攝時，可以記錄下當時的各項數(shù)據(jù)指標，在后期通過對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，可以制作出真實度極高的實景三維模型，從而直觀地呈現(xiàn)出實景樣貌和特征[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 技術路線

關于無人機遙感測繪技術傾斜攝影測量的技術路線如圖3所示。

圖3 無人機遙感測繪技術傾斜攝影測量的技術路線

2.3 影響無人機航測精度的因素

相較于傳統(tǒng)的工程測繪手段而言，無人機遙感測繪技術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，主要包括像控點的設計布置、影像數(shù)據(jù)的影像質量、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 無人機遙感測繪技術的應用范圍

隨著無人機遙感測繪技術的成熟，越來越多的行業(yè)將其投入實際的生產(chǎn)工作當中，借用先進的技術手段來有效提高工作效率和質量的同時，還可以在一定程度上降低成本。當下無人機遙感測繪技術主要應用于以下幾個領域。

3.1 收集影像信息

在建筑工程行業(yè)進行施工平面圖的繪制工作時就可以將無人機遙感技術應用進來。在實地進行無人機遙感技術測繪工作之前，相關工作人員需要結合工程需求、規(guī)范標準及外界環(huán)境因素和天氣因素等諸多條件，對無人機遙感技術測繪工作的航線、飛行參數(shù)等各項指標進行規(guī)劃設計，并進行一定的試飛，將各項指標調整至合適的狀態(tài)。當無人機進入工作狀態(tài)時，雖然設備自身配備有效的控制系統(tǒng)，但仍然需要相關工作人員對其進行監(jiān)控和控制，以此來保證無人機的正常運轉。

在進行工程測繪工作時，無人機遙感技術可以為測繪區(qū)域內識別到的地物生成矢量數(shù)據(jù)，保證了位置信息的準確性[4]。除此之外，無人機遙感測繪技術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，導出精度極高的三維模型，為工程領域的后續(xù)工作步驟提供強有力的技術支撐。無人機采集后生成的某地區(qū)實景三維模型如圖4所示。

圖4 某地區(qū)實景三維模型圖

3.2 低空作業(yè)

將無人機技術應用到低空作業(yè)中，主要是因為部分地區(qū)自然環(huán)境較為復雜，人力難以到達，或者是通過人工的形式來完成任務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，高空作業(yè)會降低無人機工作的穩(wěn)定性，且密集的云層也不利于無人機進行高空數(shù)據(jù)收集。在這些情況下，就可以利用無人機來進行低空作業(yè)，通過設定好的參數(shù)與飛行路線，讓無人機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。

4 無人機遙感測繪在工程測繪中的應用——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，整體地形復雜，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，測繪人員無法到達該地進行實地的數(shù)據(jù)采集，這就會導致部分數(shù)據(jù)丟失，影響后續(xù)方案的準確性[5]。除此之外，傳統(tǒng)的測繪技術收集到的只是礦區(qū)部分坐標的測繪數(shù)據(jù)，沒有一個全面、直觀的實景信息，也為后續(xù)的礦區(qū)開采工作的規(guī)劃設計帶來了不確定性。而且礦山地形變化頻繁，相對于傳統(tǒng)測繪手段，無人機遙感技術低成本高效率的優(yōu)勢可以使其進行多次反復測量。正因如此，受露天礦區(qū)的地形復雜多變因素的影響及對于后續(xù)礦區(qū)規(guī)劃設計工作的重視，將無人機遙感測繪技術引入到露天礦區(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，并在實際應用中對無人機遙感測繪技術在露天礦區(qū)的應用進行觀察與分析。

4.2 航飛方案制定

工作人員在利用無人機進行測繪工作之前，需要對測區(qū)進行充分的了解，根據(jù)測繪區(qū)域面積、地形特點和工程在精度要求上的要求制定一個適當、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。

航飛方案的設計主要由以下幾點構成：拍攝區(qū)域劃分、飛行參數(shù)設計及像控點分布方案，利用無人機遙感技術進行工程測繪工作時也需要遵循工程測繪行業(yè)的規(guī)范標準來確定基準面的高程，在此基礎上進行航線設計[6]。

（1）飛行參數(shù)設計。航高、航向重疊度、旁向重疊度和航線等都是飛行參數(shù)設計的范疇。首先應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上利用處理軟件得出適當?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)劃軟件對航線進行模擬調整。

（2）拍攝區(qū)域劃分。拍攝區(qū)域的劃分主要是根據(jù)實際情況來進行，當拍攝面積較大時，一般會結合無人機續(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)則劃分為便于進行測繪工作的小區(qū)域完成進行數(shù)據(jù)采集工作。

（3）像控點分布方案。結合上述拍攝區(qū)域和航線的設計在測繪區(qū)域內進行像控點的布置，確保測繪區(qū)域在控制范圍內，像控點的分布要結合測繪區(qū)域的實際情況進行疏密的調整，以此來適應不同的測繪區(qū)域。

（4）航測時間。為了無人機采集到的數(shù)據(jù)更加準確，測繪工作的進行更加順利，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，影響無人機工作的外界因素更為穩(wěn)定，有利于無人機工作的正常進行[7]。

4.3 外業(yè)測繪

外業(yè)測繪階段也是利用無人機遙感技術來完成數(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)，第二步采集像控點的點狀數(shù)據(jù)，像控點中的數(shù)據(jù)后期將進入空三運算，以此來保證三維實景模型中具有實際的地理坐標數(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，該軟件功能強大，擴展性強，該軟件利用多視圖三維重建技術對照片素材進行處理，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)由該軟件構建出的三維模型精確度可達到毫米級別[8]。該軟件對照片素材的處理流程如圖5所示。將照片素材導入到軟件中之后，軟件也可以利用網(wǎng)絡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

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

5 結束語

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