无人机航测技术在工程测量中的应用分析

2021-04-22王卫胜

科技经济导刊 2021年10期

王卫胜

（甘肃远腾勘测设计工程有限公司，甘肃兰州 730050）

1.无人机航测技术概述

1.1 技术原理

无人机航测技术是将无人机作为飞行平台，在平台中配置高分辨率摄影仪器与激光雷达等装置，基于影像信息采集系统，远程控制机载设备开展测绘影像采集与同步传输作业，从而实时掌握测区情况。同时，影像信息采集系统由地面监控以及飞行控制系统加以组成。在无人机航测期间，地面监控系统负责对所获取影像信息进行整合预处理、质量检测、构建三维立体模型与生成核线影像。而飞行控制系统负责操控无人机按预定航线飞行，将航线重叠度与旁向重叠度分别控制在70%与50%。在特殊情况下，工作人员远程控制无人机躲避障碍物与修改航线[1]。

1.2 技术优势

1.2.1 机动灵活

与传统航空摄影测量技术相比，无人机航测技术具有快速航测反应能力，无人机往往处于低空飞行状态，飞行质量、机身颠簸度与测量精度并不会受到气候条件的明显影响，且空域申请较为便利。同时，在无人机飞行期间，当出现风向变化时，虽然会对无人机飞行线路造成影响，但依靠飞行控制系统，可以在短时间内对无人机航线进行修正处理，以减小外部环境对测量精度造成的影响。

此外，无人机作为一种小型飞行器，对起降场地要求较低，仅需在一段较为平整的路面，即可安全完成无人机起降操作，并将升空准备时间控制在15min以内。而在测区现场地质条件过于复杂时，无法通过自力发射方式起飞时，工作人员还可选择采取弹簧起飞与垂直起飞方式，向无人机提供充足的升力。

1.2.2 测量精度高

在无人机航测系统中搭载有数字彩色航摄相机与数码相机等设备，在系统运行期间，可以持续获取超高分辨率的数字影像以及高精度定位数据，并将数据信息生成三维景观模型及三维正射影像图，最终测量的成像质量与精度都明显超过大飞机航拍测量成果。同时，无人机航测技术还可以切实满足不同类型工程测量任务的精度要求。例如，将无人机航测系统切换至低空遥感模式，在低空与超低空环境下完成测量作业，持续采集低空精准数据，满足应急救灾等测量任务的作业需求。同时，将系统切换至高空作业模式，持续获取高空信息数据，以满足资源勘测等类型测量任务的作业需求。

1.2.3 检测效率高

在应用传统航空摄影测量技术时，往往面临着数据时效性差的问题，存档数据与编程拍摄获取的影像数据时效性较差，无法在限定时间完成测量任务，且测量结果与测区实际情况不符。无人机航测技术的应用，可以同步传输所获取的影像信息，并开展数据处理操作，从而向用户实时提供所需成果。从检测效率来看，无人机航测系统每天可完成数十至上百平方公里区域的测量作业，实际测量效率远超过人工测绘。

1.3 技术要求

为充分发挥技术优势，最大程度减小外部环境与人为等因素对工程测量精度造成的影响，在应用无人机航测技术时，必须满足以下技术要求：第一，系统全面检查。对所配置数码相机与数字彩色航摄相机等设备的运行状态进行检查，及时发现并解决设备潜伏故障。同时，根据工程测量作业需求，对无人机航测系统结构与使用功能进行优化调整。第二，对测区现场环境进行初步勘察，判断是否具备无人机起降条件，结合地质地貌结构与气候条件来规划无人机航线。第三，在无人机航测期间，工作人员必须严格遵循技术流程，禁止出现违章操作与私自篡改航测流程等问题。

2.无人机航测技术在工程测量中的应用流程（图1）

2.1 检查校正设备

在无人机航测前，工作人员对机载设备与无人机运行工况进行全面检查，重点检查是否存在设备缺失损坏、摄影设备成像清晰度不达标、数据采集器精度不达标等问题，检修或更换故障设备，减小设备因素对测量精度造成的影响。随后，将无人机放至弹射架上，对无人机的姿态角度加以测量调整，依次测试无人机的机头、机身与尾翼等部位是否可以按指令操作。在确定一切无误后，将飞行控制系统与机载航拍相机进行连接，将降落伞包处于待命状态，准备开展无人机起飞操作[2]。

图1 无人机工程测量流程图

2.2 控点布设及航线规划

在控点布设及航线规划环节，应掌握以下技术要点：第一，对测区现场地质条件与天气条件进行采集分析，根据测区情况，将测区划分为若干区域，在各区域内均设置采集点，根据各区域地貌结构确定采集点数量与间隔距离，以此来减小地形条件对测量精度造成的影响。第二，以测区现场气候条件为主要依据，合理规划无人机航线，严格控制航线重叠度与旁向重叠度，并保持无人机航线与周边障碍物间的安全间隔距离，避免无人机在飞行期间受风力影响与周边障碍物相碰撞。第三，在恶劣气候条件下，需要对无人机航线进行优化调整，在必要情况下禁止开展无人机航测作业。

2.3 数据采集与测绘影像的获取

在无人机航测期间，工作人员远程对无人机航测系统进行控制，或是基于程序运行准则，采取多元化无人机航摄手段持续获取测区内所拍摄的影像资料，常用无人机航摄手段包括竖直摄影像、多基线摄影、交向摄影以及倾斜摄影等。随后，对多视影像数据进行匹配处理，在数据匹配结果基础上构建空中三角测量网络，对数据进行光束平差处理。与此同时，在必要情况下，可选择使用DOM与DEM等产品，依靠无人机航测系统自动开展数据采集与测绘影像获取作业[3]。

2.4 数据处理

在无人机航测数据处理环节，主要分为数据准备以及数据解算步骤。其中，在数据准备步骤，工作人员将无人机航测系统中所存储测绘影像数据进行导出，对航拍位置以及影响数据进行处理，如调整旁向倾斜角与分类整理航测数据信息等。同时，对影像数据质量与无人机整体情况加以检查评估，如贴线率及姿态角度，如果评估结果不佳，表明所获取测绘影像的完整度与成像质量较差，在必要情况下进行复飞。而在数据解算步骤，根据已知数据信息构建位置坐标体系，绘制位置坐标图，将坐标值与测区现场实际位置加以匹配处理。随后，对相应参数进行处理规划，基于控制点位置选择坐标体系，并完成DOM数据处理作业即可[4]。

3.无人机航测技术在工程测量中的具体应用

3.1 在环境治理工程中的应用

在环境治理工程中，对无人机航测技术的应用，可以有效减小复杂气候条件对环境监测质量造成的影响，全面掌握测区生态环境情况，为后续环境治理工作的开展提供信息支持。例如，在水环境治理工程中，无人机航测技术的应用价值包括：第一，可见光波段提取植物。采取变通VDVI算法，采取可见光波段提取法，在短时间内即可从所获取测绘影像中提取植被特征，以判断水环境中蓝藻等水生植物的生长情况，判断是否存在水生植物过度繁殖问题。第二，应急快速成图。在特殊情况下，为快速掌握测区环境情况，需要运用无人机航测技术，迅速掌握测区相关情况，运用无人机在高空快速获取测区影像资料，并在服务器端直接完成数据处理与计算过程，从而生成镶嵌正射影像、DSM影像与DTM影像等成果。

3.2 在复杂地质条件下的应用

当前在部分工程项目中，现场地质条件较为复杂，分布着湍急河流、险滩、峡谷等复杂地形，受到地理环境限制，传统航空摄影测量技术与人工测量技术不具备实际应用价值，测量精度较低，在测量期间容易出现突发问题。无人机航测技术的应用，可以有效解决以上问题。首先，工作人员通过无人机航测系统与飞行控制系统，可以远程调整航摄相机角度来获取测绘影像，全面掌握测区情况与地物信息。其次，面对河流险滩等复杂地形，凭借无人机机动灵活优势，工作人员可以根据现场情况实时调整机身修正无人机航线，并操纵无人机开展各项高难度飞行动作，将无人机与各类障碍物保持安全间隔距离。最后，开发低空无人机航测遥感系统，组合应用遥感技术与无人机航测技术，系统自动对无人机飞行期间所产生机械振动误差加以分析修正，以此提高测量精度及测绘影像质量。

3.3 在地形图测绘中的应用

近年来，随着技术体系的日益完善，无人机航测技术在大范围地形图测绘方面中得到广泛应用，且地形测绘精度满足绝大多数工程1∶2000的测量精度要求。例如，在无人机航测期间，在系统中下载并识别DOM数据，在其基础上创建道路、路堤与建筑房屋等地物标高（图2）。随后，依据DOM数据进行分类处理，从所获取测绘影像资料中提取地物矢量特征，并对数据进行校正细化处理，以此来构建DOM图形。最后，向CAD软件中导入矢量化成果，将成图要求为依据，对测区地图进行整饰处理，如此，即可生成DMG格式成果，完成地形图测绘任务。

图2 无人机航测技术在城市测绘中的应用

3.4 在多尺度大范围遥感影像快速获取中的应用

与传统航空摄影测量技术相比，在多尺度大范围遥感影像获取方面，无人机航测技术的核心优势在于，可组合运用空中三角测量技术，提前在航测系统中设定飞行参数，结合测区情况规划无人机航线，无人机即可在航测期间持续获取具备地理坐标的正射影像信息，快速处理由数量不等影像所组成的测绘项目。同时，对调节波段权重、均值因子与尺寸等参数的优化调整，以及对无人机飞行姿态的调整，具备了获取“多尺度”影像数据与大范围遥感影像的技术条件，这对工程测量精度与遥感影像质量的提升有着重要意义。