无人机航测技术在工程测量的应用

2023-01-07周文

建材与装饰 2022年4期

周文

（中铁十二局集团国际工程有限公司，天津 300308）

近年来，无人机市场快速发展。2015—2020年，我国民用无人机市场整体规模从24亿元增长到361亿元，年复合增长率为72%。按照用途划分，主要分为军用和民用，其中，民用无人机细化为工业级无人机与消费级无人机。消费级无人机市场的快速爆发，促使无人机的影响力不断提高。目前，民用无人机的应用范围包括勘探、城市、水利监测以及物流等领域，发挥着重要的作用。采用无人机航测技术，为国土资源开发利用和保护、工程建设管理等提供支持，可获得积极的效益，助力管理工作的高效化开展和落实。

1 无人机航测技术的应用特点

无人机航测技术的应用，主要是采用电子计算机，运用摄影相片量测与解析计算方法的交会，分析被摄物体的形状和大小及位置，研究相互关系，并且生成测量数据。自从无人机航测技术的研发和应用，彻底颠覆传统测量，克服了只能实现对监测点垂直检测的问题。实际应用中不需要接触到物体本身，便能够获得相关信息，构建三维立体模型，并且提取物体的几何和物理特性，满足测量作业的需求。对于测量环境复杂的区域，例如道路设施不完善或者山沟等，采用传统技术无法进行作业的，采用无人机航测技术手段，能够高效完成测量作业，并且可以保证测量结果的准确性。

采取的无人机航测技术，具有以下特点：①外业工作量小且生产效率高。传统的测量作业，需配置大量的人力资源，但测量范围依旧有限，使用无人机航测技术，能够妥善解决传统测量问题，1台无人机相当于10～20个人的工作效率。除此之外，有效减少野外作业的时间，转变了外业作业的模式。一方面，可提高无人机航测的效率，另一方面，能够保证数据信息的采集和整理的效率，保障测量结果的真实性和完整性。②内业数据三维模型采集具有直观性，方便进行判读。基于无人机航测采集的数据信息，经过内业解算后制作为三维地形模型，并且通过模型上采集点，使得测区的情况可以清晰地呈现，并且可以自动化过滤点的疏密性。③数据精度高且精度比较均匀。采用无人机航测技术，合理控制外业航飞高度以及重叠度，优化地面控制点的设计，借助软件平差处理，能够实现测绘区点的空三平差，因此获得的数据点精度可以达到工程测量的要求，精度相对均匀。④作业灵活，测量成本不高。工程测量作业既需要保障测量的效率和精度，也要控制测量的成本。采用无人机航测技术手段，不仅作业灵活，而且作业成本比较低，获得的数据信息质量很高，能够满足实际需求。

2 无人机航测技术在工程测量的应用实例分析

2.1 案例概述

以某工程项目为例，工程测区的山地特征比较明显，区域内分布了大量的树林，高差达到120m，中间被河流分割，人员分布很少，基础设施不完善，增加了测量作业的难度。与此同时，工程时间紧张，留给前期测量的时间不多。从工程测量实践分析，为保障测量工作高质量开展和落实，采用了无人机航测技术手段，完成2km2的测区测量作业，绘制了1∶1000地形图。测量作业中按照技术设计和要求开展，保障地形图的精度达到要求。现结合具体实践，进行全面分析。

2.2 测绘资源的准备

本次工程测量作业，使用的是大疆DJI经纬M600Pro多旋翼无人机，辅助无人机航测工作的开展，可以适应地势起伏大和盆地测量作业，操作比较灵活方便，对起降场地的要求不高。为实现高效化测量，搭载了HS-300低空激光扫描测图系统，配置的激光雷达为RIEGLminiVUX-1UAV。无人机航测作业选择具有操作能力和丰富经验的人员，辅助工程测量作业的开展。

2.3 设计的航测方案

数据采集。无人机航测作业开展前，需要按照民用无人机使用规范和要求，向所属空域管辖部门提交申请获得审批后进行，并且收集测绘区的气象资料和现有的测量成果。组织现场踏勘作业，明确起飞点，使用航迹线路规划软件，开展航线设计，并且明确航摄分区。组织开展外业作业，地面基站需要在启动机载LiDAR设备航摄作业前30min开展数据采集，按照技术方案将数据采集间隔设置为1s，完成航摄作业后30min关闭接收机，整个过程不可以因为断电或其他原因造成数据中断。航测作业搭载的LiDAR设备需要在起飞前及降落后，开展大约5min的静态观测，保障数据信息完整记录。完成数据信息的采集作业后，及时组织开展数据预处理，做好数据采集范围的检查，分析是否按照无人机航测设计开展，排查出现漏测的情况，做好航线之间和航摄区间匹配度的检查，保障无人机航测作业的质量目标实现。图1为数据采集的技术路线。

内业数据处理。基于保障测量结果真实性的目的，需要做好内业数据的处理。一方面，保证航摄数据没有遗漏，另一方面，保证点云精度达到要求。对于采集的数据信息，使用TerroSilid软件，开展点云数据处理，开展坐标转换和点云滤波等处理，保证处理的质量，再开展后续工作。采用地面点制作高程注记录点、等高线以及DEM，保障测绘结果的真实性和准确性。在数据处理方面，完成DOM和分类处理后，获得点云数据，再采集地物要素，之后将地物地貌和外业调绘数据的合并处理，制作数字线划图。无人机航测作业中，内业数据的处理技术路线如图2所示。

2.4 航测成果的质量分析

工程测量测绘作业中组织开展无人机航测，将飞行高度参数设置为200m，速度设置为9m/s，视场角设置为180°，单条航线幅宽设置为600m。按照工程测量设计方案，组织开展5个架次飞行，完成数据信息的采集，采集了5km2的点云数据。通过数据采集分析，统计点云密度，统计结果为40点/m2，可以达到技术规范和标准，符合1：1000点云密度的要求。本次工程测量测绘作业的开展，严格按照无人机航测技术方案和标准，严格控制航测实施过程，规范处理点云数据以及航摄影像等，保证测量结果的质量达到要求。对采集的数据信息，做好全面细致检查，并且对检核点做好精度评定，根据两级检查规定完成内外业检查，切实保障无人机航测结果的真实性。

点云精度。按照无人机航测技术应用管理要求，对点云的高程精度开展分析，通过对数据信息的分类，实际测量对应高程点，开展对比与误差统计分析。对于外业高程检查点，主要采集地类数据，例如草地和灌木林等相关信息，将采集点布置到测量区的各个位置，切实保障测区情况被全面反映，保障测量测绘结果的质量。在测绘区采集523个检核点，按照质量检验检测的要求，展开对比分析，获得检查结果。本次检查发现了3个点出现了高程差＞1.5m，通过数据分析了解到问题点处于高程突变位置，同时周围覆盖了很多茂密的植被，点云数据产生偏差，采取的处理方案是作为粗差点剔除。除此之外，剩余的520个检核点进行精度分析，获得精度分析结果，结果如下：①最大值为0.897m。②最小值为-0.973m。③误差均值为-0.05。④中误差为0.143m。按照技术要求，采集的点云数据高程中误差要达到±0.50的精度要求；93.3%的点误差集中在±0.4m内。根据数据分析结果得知，点云数据质量可以达到技术规范和要求。

地形图精度分析。无人机航测技术的应用质量控制，还需要做好地形图精度的分析。本次测量作业的开展，所处的测绘区域环境复杂，精度分析中外业部分采集的特征检查点总计15个，包括房屋角点和大坝特征点等，开展数据分析，进行地形图精度的分析，获得的位置精度结果如下：①比例尺大小为1∶1000。②中误差结果为0.305m。绘制的地形图高程精度，除了图幅高程注记点外，还包括图幅等高线精度，具体分析时参照点云高程精度开展统计与分析，获得分析的结果。综合分析，地形图的平面精度可以达到技术标准和要求。

DEM精度分析。工程测量实践中采集的数据信息，完成处理后要进行DEM精度分析，获得高质量点云数据。本次外业设置了510个地面检核点，采集高程数据和DEM高程开展对比分析，获得了统计结果，结果如下：①最大值为1.154m。②最小值为-0.989m。③误差均值为0.06。④中误差为0.163m。根据分析的结果判断，可以达到技术操作的要求，即高程中误差±0.70m的精度要求，91.7%的点误差集中在±0.4m范围内。

3 无人机航测技术在工程测量的应用策略

3.1 设计科学合理的技术方案

无人机航测技术的应用价值实现，需保障技术的应用效果。根据工程测量任务的特点和实际情况，制订科学合理的技术方案，指导各项工作的开展和落实，达到高效化测量的要求。这需要事前做好全面分析，组织开展测区的情况分析，搜集完整的数据信息，为航测技术方案的编制提供支持。根据测绘的大小和比例尺大小等，确定航测的路线和设备配置方案，形成科学合理的航测方案，指导作业高效化开展和落实，采集高质量的外业数据信息。工程测量作业开展前，认真研究无人机航测技术方案的内容和特点，掌握测绘技术的要点和方法，交代给测绘人员，让其可以掌握无人机航测技术的流程和控制措施，实现技术的应用价值，切实保障测绘结果的完整性和准确性，指导各项工作高效化开展。需要注意的是，无人机航测技术的合理应用，做好事前的各项工作，包括区域划分和航线图设计等，有重要的意义。设计的航线图，必须标注清楚飞行高度、航向、航线数量，指导作业高效地开展和落实。为实现对测区的全面覆盖，必须做好控制点的布置，提高航测的精度。这需要注重测区的特征分析，保障控制点与基线的布置科学合理。通过有效把控事前的策划质量，高质量推进测绘工作。

3.2 强化航测技术要点控制

采用DOM工艺技术。从测量测绘实践分析，为保障地形图绘制结果的真实性和准确性，需要做好相片与数据的处理，通过二次加工和裁剪采集，保障数据信息的质量。按照DOM技术应用要求，进行图像信息的分析，获得可利用的信息。除此之外，结合实际需求融合图像信息数据，依据测量数据分析测区的地形，高效处理数据信息[1-2]。

采用三角测量技术。无人机航测技术的应用，辅助测绘测量作业的开展，必须严格按照技术规范和要求，做好细节和要点控制，采集完成的数据信息，形成高质量的地形图，为后续设计和建设工作的开展提供支持。测绘作业的开展，需按照设计的航线完成野外作业，再开展空中三角测量。若采用空中三角测量技术，则要做好具体操作的控制，借助空中加密技术，对测区空地位置进行加密处理，保障摄像的专一性。按照技术标准和需求，严格控制加密的距离，有效处理特殊地形，实现高度差的有效控制，防范质量问题的产生。一般来说，平台区域也可进行空中三角加密处理，运用空中三角测量方法，达到边缘位置的优化规划。测量测绘作业中采用空中三角测量方法，做好空中加密点的设置和控制，若遇到测量问题，技术操作人员通过调整像素数据，能够实现对分析结果的优化。需要注意的是，采用空中三角测量技术，必须结合实际情况和技术规范，制定完善的测量方案，并且做好事前的技术准备工作，优化测量方案。在测量前期准备工作环节，统一数据格式，将影像调整为JPG格式，并且做好相机焦距的调整，优化测量路线。工作人员则要从实际需求出发，借助专业处理软件进行处理，保障数据信息处理的有效性和准确性，合理设定参数，实现自动定向效果，合理去除多余像点，同时能够相互交错编辑连接点。完成测量作业后，及时录入经过处理达到要求的图片与数据，优化参数的设置，做好数据的分析，为后续使用提供支持[3-4]。

联测相片控制点。从无人机航测技术的应用角度分析，必须做好全过程的质量控制。通过联测相片控制点，科学合理加密控制点，结合实际情况确定控制点，保障测量测绘作业的质量目标得以实现。一般来说，相片控制点影响到摄影成像的准确性，实际测量测绘作业的开展，必须严格控制控制点的数量与位置。作为技术人员，则要严格控制基准，结合测绘比例精准预估基准控制点，并且按照国家基础控制点要求，确定具体的平面控制点，实际操作时可借助GPS辅助计算，在水平与垂直交叉点建立控制基准，再使用RTK技术测量相片控制点，切实保障测量测绘的质量。整个过程需要做好严格控制，保障数据信息的质量[5-6]。

3.4 联合其他技术使用

目前来说，很多工程项目中都在积极推广使用无人机航测技术，结合运用其他信息化手段，例如BIM技术，辅助工程测量和设计以及施工管理，获得了不错的成效。从实际应用的角度分析，在测量测绘实践中采用无人机航测技术，结合利用GPS技术以及GIS技术等，辅助作业的开展，采集高质量的数据信息，能更好地开展相关工作，保障无人机航测技术的应用价值实现。从实际应用的角度分析，需要结合技术需求，合理推广应用现代化技术，深度挖掘技术的应用价值和优势，助力工程测量测绘作业的开展[7-8]。