工程测量中无人机航测技术的应用

李 帅，张 杰，杜立杰，李 盼

(北京速测信息科技有限公司，北京 100080)

1 无人机航测技术

1.1 无人机航测技术原理

将无人机航测技术应用于工程测量中可以有效提高测量效率与测量精度，通过对高分辨率影像数据的快速处理与反馈来获取质量较高的影像数据，但同时对无人机的拍摄能力和数据处理能力提出了更高的要求。目前，主流的无人机航测技术主要包括影像资料采集与数据处理两个系统，其中影像资料采集必须建立在无人机飞行控制系统与地面监控系统的基础上，通过操纵无人机沿着计划航线来获取相应的航拍影像资料。通常情况下，需要将航向重叠保持在70%，旁向重叠保持在50%。航拍相片重叠是指无人机对同一目标间隔相同距离的两个位置进行拍摄，因此无人机航拍对其数据信息处理能力具有较高要求。无人机航拍技术的数据信息处理整合能力不断增强，可以在短时间内对无人机航拍的大量相片进行处理分析，检测相片拍摄质量并对其预处理与更正。随着无人机航拍技术适应范围越来越大，其在工程测量中应用越来越广泛，其中遥感信息处理系统分为三维建模系统与空中三角测量系统。空中三角测量系统是无人机航测应用于工程测量的基础，可以有效提高航测精度。空中三角测量系统是对航带的整合处理，确定不同行带之间的关系，对影像通过定向分析整合，确定无人机航测影像的连接点设置，通过相控点与平差计算来构建完善的工程三维立体模型。无人机航测技术原理如图1所示。

图1 无人机航测技术原理Fig.1 Principle of UAV aerial survey technology

1.2 无人机航测技术要求

无人机航测技术作为现代主要数据采集手段之一，在工程地形数据采集上具有较高效率，使工程数据测量准确性提高。无人机航测技术在不同地形条件下平面与高程精度要求不同，具体如表1所示。

表1 无人机航测技术在不同地形条件下平面与高程精度 (m)

在工程测量中应用无人机航测技术，为了获取更加精准的测量结果，为工程开展提供数据参考，在应用无人机航测技术前要做好准备工作。全面检查无人机航测系统，确保无人机设备与拍摄设备正常运行，确保无人机摄影设备影像呈现效果清晰，在无人机起飞前需要分析周围空中环境，可以为无人机飞行拍摄提供良好空间条件。应用无人机航测的技术必须严格遵守航测工作流程，使航测数据结构准确性提高。

2 无人机航测技术在工程测量中的优势

2.1 操作简单

工程测量中应用无人机航测技术，无人机不需要专业驾驶员进行操作作业，只需要无人机控制人员对拍摄影像随时注意查看，注意观察无人机的飞行状态。无人机操作技术也越来越简单，小型无人机机身、体积及重量都大大减少，最小的无人机只有巴掌大小，在手上就可以实现起飞与降落。无人机航测技术相较于传统客机航测技术大大减少了选择起飞降落地点的问题，其机身质量增加，在低空飞行可以很好地适应风向变化，降低飞行设备振动，避免对拍摄数据与图像采集造成影响。使用无人机航测技术只需要提前设定无人机飞行路线，随时观察无人机的飞行状态，根据实际情况修正。无人机系统发生问题时可以自行降落或飞回至起点排除故障，由于无人机结构简单，维修或零件更换成本较低，排除故障后可以重新飞行测量。

2.2 拍摄精确度高

无人机航测技术具有数据采集能力强、精确度高的优点，对无人机操作人员技术水平要求较低，极大程度减少了无人机操作时间与数据分析处理时间，无人机自身所携带的高清摄影相机与专业测绘仪器，可以将工程拍摄影像质量大幅度提高，提升工程测绘精确度。无人机具有一定的智能与自动化，可以在一定程度减少工作压力，提高工作效率质量。无人机还可以使用低空遥感模式对工程地理信息完成勘测，不管在高空还是超低空下都可以正常完成测绘作业，广泛应用于工程测量与应急救援领域中。

2.3 飞行周期短

无人机测绘技术在工程测量中应用具有较短的飞行周期，可以实现快速起飞降落，在数据获取分析及处理中，只需要投入较少时间。无人机测绘技术成本相较于传统客机测绘技术成本非常低，主要由于无人机制造材料成本低，保养频率低，零件构造简单，后期维修费用少，极大程度减少了工程测绘成本。无人机具有简单的操作模式，测绘人员可以在短时间内学会无人机设备操作和拍摄程序的使用，无需再投入其他成本，具有使用成本低的优点。

3 无人机航测技术应用流程

3.1 无人机航测技术外部处理工作

外部工作包括工程控制点建立，航测路线规划及实际航测作业。建立工程控制点时如果仍然采用传统地形测量技术对复杂的工程地形进行测量，将会出现一些问题，因此可以将无人机空中识别技术应用于工程控制点建立中，通常每隔260 m建立一个工程控制点，控制点数量取决于工程项目的规模大小。无人机航线规划过程中，必须依据工程项目规模与地形来确定无人机飞行高度与飞行路线，应先对航测区域的地质条件、面积大小、天气情况等多因素进行调查，根据无人机实际航测情况设计出科学合理的航线，包括确定航线数量与航线方向，尽可能得到工程准确合理的数据，确保航测数据的准确性与有效性。应注意无人机的速度与飞行高度，确保拍摄图像足够清晰。可以将检查路线预期输入到无人机飞行控制系统中，通过无人机对空气环境进行检查，通过无人机航测技术来获取更加真实有效的工程数据。无人机航测技术应用流程如图2所示。

图2 无人机航测技术应用流程Fig.2 Application process of UAV aerial survey technology

3.2 无人机航测低空作业

在低空环境作业测绘中，采用传统客机航拍技术经常会由于地形因素和天气环境影响导致测绘结果出现问题，使航拍起降受到较大限制，如果在拍摄过程中遇到云层还会影响拍摄质量，降低航拍安全性。应用无人机航测技术可以有效解决这些问题，无人机航测起飞降落对外界环境要求较低，不会受到云层的影响。无人机航测在低空作业时不需要技术人员实施跟踪，所有操作流程都可以通过远程遥控技术完成，有效保证了操作人员的安全。

3.3 工程数据采集

航测数据采集作为无人机航测技术的重要组成，要对数据信息手动采集，通过自动加密系统对数据信息加密处理。通过操作设备对无人机远程操作拍摄，根据工程测量需求与实际施工情况来操作无人机，确保数据采集的真实性与准确性，当数据采集后还需进行自动加密，将拍摄的影像转化为数据信息储存起来，根据相应的算法自动加密，只有通过输入密码才能正常访问数据信息。无人机航测技术通过自动加密可以有效确保数据采集的安全性，避免数据出现损失或丢失。影像测绘过程中，要根据实际作业情况合理规划设置无人机路线，在无人机测绘起飞前，调整相机镜头，查看相机成像效果，避免由于摄像设备问题造成无人机航测技术应用效果较差。无人机飞行过程中路线并不是非常稳定，有时会出现偏角问题，如果风力过大还会造成无人机影像旋片角度过大，实际影像无法直接对应。因此技术人员必须合理规划无人机飞行环境、起落平台及飞行路线，根据无人机飞行特点开展测量作业。通常情况下采用空中三角测量技术定点测量，通过其自动化特点对无人机航测中的操作误差自动纠正处理，自动匹配相应航线数据，对连接点提取并测量，判断是否分布均匀，有效增强航拍画面的清晰程度，使影像匹配与连接点提取的误差有效降低，避免无人机拍摄错误，提高无人机航测质量。

3.4 影像数据处理

无人机航测技术在工程测量中应用，要采集到航拍图像数据并对航拍图像质量进行验证，确保满足工程建设对地形图测量的要求，如果不能满足需求还需要进行再次拍摄，直到航拍图像满足工程规划要求。可以通过对航拍图像检查，进行内部数据处理，完成空中三角测量后可以合并不同子块的航空图像，使用相同的图像控制点来执行不同子块的图像数据。对其中严重误差进行排除，处理区域网络限制问题。将图像数据处理后导入映射软件中，对内部方向、相机变形及平均高度测量等参数完成设置。根据工程地形数据完成编辑，如果最终工程情况出现缺陷，必须及时发现并矫正，直到地形图生成满足工程规划要求。

3.5 无人机航测内部处理工作

无人机航测技术的内部处理工作主要包括数据准备与数据结算两方面。数据准备工作是将无人机中的航测数据导出后，对其航测位置与影像资料进行处理，对无人机整体航向与旁向角度调整，处理无人机航测数据，在之前控点布设的基础上确定工程具体坐标。数据结算工作中，需要将无人机航测相关数据信息导出，在数据基础上建立具体位置坐标图，将坐标图与工程实际位置相匹配，对工程数据规划处理，根据控制点位置来选择工程合适的坐标体系，完成数据处理。

4 无人机航测质量提高措施

4.1 确定合适的测量技术

工程测量中使用无人机航测技术，要获取工程数据资料就必须根据实际情况选择合适的测量方法，根据工程不同测量区域内容来选择合适的测量技术，将测量数据及时反馈处理，确保数据信息获取质量。完成无人机航测数据采集，在记录过程中开始二次航测，分解无人机飞行路线，确保飞行路线更加准确与全面，在收集航测数据过程中采取有效措施提高无人机摄像分辨率，使数据质量更高。获取无人机航测数据时，不但要对其进行检测，还要通过数据分析技术对检测获取的数据进行分析，使数据资料精确度更高。

4.2 提高技术人员专业水平

应要求工程测量人员参加无人机驾驶与拍摄技术培训，提高专业能力，积累操作经验，帮助测量人员尽快掌握无人机航测技术。通过提高测量人员操作水平，将无人机航测误差控制在一定范围内，提高精度。应打造综合素质高的专业测量技术人员队伍，制定合理的绩效考核制度，使其保持积极性与能动性。还可以采用社会招聘方法，不断引进高水平的专业人员，使无人机航测工作质量有效提高。操作人员应定期参加业务能力培训与技能训练，通过科学有效的培训方式，使无人机操作理念与操作技巧更新发展，提高技术水平，确保无人机飞行迅速，减少无人机航测过程中的旋转角度，提高航拍数据系资料的真实性与准确性。测量人员与无人机操作人员还应加强沟通交流，避免无人机航测过程中产生问题，提高无人机航测数据质量。

5 结语

近年来，无人机航测技术在工程测量领域中应用越来越广泛。相较于传统航测技术，无人机航测技术具有投入成本低、操作简单及拍摄精度高的优点，可以有效提高工程测绘工作效率质量。技术人员依据无人机航测技术特点，采用正确操作流程，可以有效提高无人机航测技术数据采集的准确度，获得更加精准的工程数据，促进工程建设顺利展开。