无人机测摄与地理信息系统在工程中的应用

陈杨

（山东省地质测绘院，济南250002）

1 引言

工程项目施工前期，传统的测绘方法主要是对地形图矢量化，再结合现场调绘调查情况，对地形地物加以补充和完善，但这种测绘方法，因原有的地形图形成的时间相对较长，地形地物会随着时间发生变化，影响到最终测绘结果的时效性，难以满足当前工程项目对精准测绘的要求。现代信息技术的推进，无人机和测摄设备技术不断更新，逐渐应用到工程建设中，测绘更加精准，成本相对较低，且对复杂的环境具有很强的适应能力，能第一时间获取现场的信息数据。通过无人机测绘所获取的数据信息丰富、数据量较大，需要地理信息系统对数据加以整合处理，最终将所得的数据以图像的形式呈现出来，更好地为工程建设提供依据。

2 无人机测摄系统概述及其在工程中的应用

2.1 无人机测摄技术概述

无人机测摄技术，主要是借助先进的无人驾驶飞行器技术、遥感技术、遥测遥控技术、通信技术等，自动、智能化地获取自然环境、国土资源等信息，完成遥感数据的处理和建模。无人机遥感系统与传统的测绘方法相比，具有速度快、投入人员少、成本低等特点，成为当前研究的热点，也逐渐从研究分析到实际应用发展阶段。无人机测摄最先应用于军事和侦察工作中。随着计算机技术和通信技术的高速发展，数字化、体积小、精度高的新型传感器出现，无人机的性能在不断提升，其应用范围和领域也在不断扩大，在工程实践中也得到了一定程度的推广，采用无人机为飞行平台，搭载小型数码相机传感器构建的摄影测量系统，应用在地理影像测绘的收集工作中。根据旋翼不同，可以分为多旋翼和固定翼航摄系统，包括飞行平台、数字传感器、影像处理等部分【1】。无人机测摄主要是采用GNSS定位，借助后期软件处理自动拼接影像，对实时影像的处理相对比较便捷，不需要耗费设备和大量人力的投入。

2.2 无人机测摄系统在工程中的应用

2.2.1 无人机测摄作业流程

常规测绘需要较多的人力物力投入，测量难度相对较大，无人机测摄作业有成本低、易操作、响应快速等特点，能适应更多的难度较大的环境，有效弥补数字线划图测绘的不足。分析无人机测摄的环节，主要包括以下方面：航线的设计，像控点实地测绘、外业调绘等。在航线的设计中，需要结合工程的实际需求，了解环境状况，从而对航向加以设定，并设计好基线长和航线条数等信息，借助软件导入无人机，确保在天气条件合适的情况下，对测区进行航拍，获取相应的影像。像控点的确定，可以采用快速静态等观测的形式，采集三维坐标，结合区域网模式开展。

2.2.2 无人机测摄在工程测量中的应用

大比例尺地形和线路地形测绘中，按照测绘相关要求，设置航摄像控点，并采集像控点平面和三维数据，结合原有影像为底图，设置坐标，并对航向等指标要求加以分析。在实际的工程作业中，利用无人机采集影像，将数据导入相关软件中，完成影像的匹配和拼接建模，最终形成三维模型，结合预设的像控点外业数据和坐标，完成最后影像配准与外定向，标注出建筑结构、地物类别，从色调、亮度方面重点加以调整【2】。

3 地理信息系统概述及其具体应用分析

3.1 地理信息系统概述

地理信息系统，简称GIS，其在建设和发展中引起了社会的关注，该系统中包含了许多子系统，如数据采集、数据管理分析、数据输出等系统。GIS技术，主要是融合数据结构、数据集成，借助地理空间分析能力和搜索能力，实现图形创作和工具空间定位，更好地处理和模拟地理空间信息。

3.2 地理信息系统在工程中的具体应用分析

地理信息系统在工程中的应用程度相对较深，地理工程勘探、项目设计施工等都有重要的影响。具体表现在以下几个方面：

1）当前行业发展中，信息的作用越来越重要，企业发展每年会形成大量的数据信息，这些数据较为分散，采用原有的存储方式，会影响到后期资料的查阅，基于GIS地理信息系统的应用，可以实现对信息的统一管理和查询，实现信息数据管理和应用的一体化，并建立数据库平台，借助地理信息技术空间分析能力，分析用户需求，将信息精准、全面地展示给用户，满足行业发展对空间信息的需求，为行业发展和信息决策提供依据。

2）在工程勘探中有较广泛的应用，通过地理信息系统，能快速获取工程勘探数据，确保数据的准确性，也能有效提升工作人员的效率，减少因数据失误带来的影响。在具体的应用中，要结合工程的实际情况，最大限度地发挥地理信息系统的作用【3，4】。

3）地理信息系统在工程规划中的应用。城市、空间规划中，地理信息系统是重要的应用领域，城市基础设施较多，分布广泛，在城市管理、统计中借助GIS技术，能有效提升工作效率，并确保工作的精准性，给选址及科学决策提供依据，能结合所在区域的地理环境、资源分配、地形因素、交通条件等，选择出最佳位置。因此，地理信息系统在城市的规划发展中有重要的作用。

4 系统组成与工作流程

4.1 航测及数据处理流程

航测作业中，一般采用的无人机有固定翼无人机和多旋翼无人机2种。2种无人机特点不同，应用领域也有差异。固定翼无人机飞行的速度比较快，但自身负重相对小，对能承载的设备重量及起降场地有严格要求。多旋翼无人机的负重能力相对较强，飞行过程相对稳定，能悬停滞空，可以承载重量较大的测摄仪器。

无人机搭载千万级像素数码相机，超广角镜头，在不同的飞行高度航拍照片，分辨率可达0.05～0.15m，同时拍照时相邻航线的照片旁向重叠度要在30%以上，航高差不能超过30m，无人机在低空摄像中，多采用的是普通数码相机拍摄，在拍摄中会受到视角、航线偏角的影响，最终拍摄的照片会产生畸变，需要借助相关的软件对照片加以矫正，如采用Dxo Optics Pro，可应用于多种类型数码相机拍摄照片的光学处理、几何处理和畸变矫正。

在对原始照片进行畸变矫正后，考虑到计算机处理照片的能力，测量对数据精度的需求，可以对照片进行分块处理。分块处理要遵循以下几个原则：

1）为了给后期拟合提供对比参照，分块需要有一定的重叠区域。

2）分块要规整，以免出现狭长区域。在分块中，对照片分别加以分布式相对定位处理，借助空中三角测量数据软件，对其加以分析和运算，获取初步的定向正射影像、地面模型等。然后对所得结果进行检查，在三维数据浏览软件中，导入所得三维点数据，对此加以核查，并剔除异常点。将地面模型及数字高程模型（DEM）导入地理信息系统中，载入正射影像数据，从而显示地形三维模型，对模型数据的合理性加以验证【5】。

结合所得的正射影像，对工程目标附近布置控制点，对其进行测量。控制点的布设需要满足以下几个条件：

1）控制点布设要均匀，各点之间的布置距离要保持在300～500m，如果遇到地形起伏较大的区域，要增加控制点的密度。

2）控制点在野外实地位置和照片影像位置可以加以明确辨认。

3）控制点的设置，要选择固定的不容易被遮挡的点，控制点的选择上，先在航摄照片上进行标示，根据标识点进行测量，如果实地的情况和照片不符合，无法满足条件，需要在原来的控制点附近重新选择控制点进行测量。

控制点布设测量完成后，在相对定向正射影像基础上，处理绝对定向，导入控制点的绝对坐标高程，检查绝对定向点的误差，删除误差较大的点。最后完成控制点的检查后，生成最终的正射影像图，确保结果能满足地理信息数字成果的要求【6】。

4.2 降低误差，离散点测量

正射影像图中，因植被及其他物体遮挡，最终的高程与地表实际高程会存在一定的误差，此外，地面模型数据难以真实反映出道路、河流的实际状况，因此，需要补充离散点高程测量。传统多采用RTK进行碎步测量，其中最重要的是离散点的选择，在选择中，要能反映出实地的真实形态，如悬崖、陡坎、田坎等。在应用中RTK碎步测量花费的人力和时间较多，可以采用无人机搭乘激光雷达扫描采点，这种适用于环境面积较小的工程测量中，大范围采用会出现海量的信息数据，需要计算机较高的处理性能，最终形成正射影像图和数字高程模型。

5 结语

综上所述，无人机测绘和地理信息系统平台的发展和应用，能让设计人员摆脱原有设计流程，在分析三维真实场景图像的基础上进行设计，最终对整个项目设计过程和结果加以虚拟现实化，能将地形、地物、社会环境、生态环境等因素考虑其中，在工程设计和建设中发挥着重要的作用。未来研究中，要结合应用现状，认识到无人机测摄与地理信息系统在工程应用中的作用，对其系统完善做出进一步的探讨。