浅析工程测绘中无人机遥感技术

2024-04-10李松罗新建张晓

中国设备工程 2024年7期

李松，罗新建，张晓

（山东卫测地理信息科技有限公司，山东无棣 251900）

随着我国城市化进程速度的提升以及基础设施广泛建设，城市规划、道路设计、土地空间利用等多个领域中的工程测绘针对高精准度的地理空间数据需求逐渐增大，以往采用的测绘方式受限，无法满足多方现实需求。无人机遥感技术则能够在较短时间内，用最低成本获取大面积空间地理信息，并运用高分辨率影像呈现出来，弥补工程测绘的不足，促进工程测绘高质量发展。现阶段，无人机遥感技术在工程测绘领域的应用愈加成熟，可对地面数据信息进行采集与分析，并勘探地矿资源，在环境评估和地质灾害预测等方面也有一定的成效。

1 无人机遥感技术及其原理

1.1 无人机遥感技术简介

无人机遥感技术是利用无人机搭载的遥感设备对地面进行数据采集和图像获取的一种技术，结合无人机的灵活性和遥感技术的高分辨率、多光谱等特点，能够实现高效、快速、精准的地面信息获取与分析。21世纪初，开始研制工业型无人机遥感系统，至今已经较为成熟，但是在工程测绘领域中的应用时间相对较短。无人机遥感系统是基于无线电技术的一种无人飞行平台，通过遥控、遥测、图像传输等技术可实现无人驾驶和自主控制，通常由无人机平台、遥感传感器、遥控设备、图像传输设备等组成。

1.2 无人机遥感技术原理

1.2.1 无人机平台

无人机遥感技术载荷类型不同，产生的元数据结构也不同，具备多元性和复杂性的特征，加上生产商的差异性，让其同一种类型载荷在数据类型和结构上有所变化，因此，不同工程测量可以选择不同的无人机遥感技术。无人机平台是整个系统的核心，提供载荷搭载的平台和飞行控制系统，一般由机身、机翼、动力系统、导航系统等组成。其中，机身是无人机的主体结构，承载载荷和提供飞行稳定性；机翼则是提供升力，促使无人机能够在空中飞行；动力系统包括发动机和动力传输系统，为无人机提供动力；导航系统则负责无人机的导航和飞行控制。

1.2.2 遥感传感器技术

遥感传感器是无人机遥感系统的核心设备，能够采集地面或大气等目标的遥感信息，根据工作原理可以分为光学传感器、热红外传感器和雷达传感器、空气化学传感器、粒子探测遥感等，可以获取不同波段的光谱图像数据，包括可见光、红外、热红外等，这些数据可以用于地表覆盖分类、资源调查、环境监测等。例如，利用高光谱相机可以获取地物的光谱信息，从而对地物进行精细分类；利用红外相机可以获取地表的温度信息，从而对火灾、环境污染等进行监测。在工程测绘中，激光雷达遥感技术应用较为广泛，可通过激光束向地面发射并测量返回时间，获取高精度的三维坐标数据，生成数字地形模型、数字高程模型等，具有三维建模优势。

1.2.3 数据采集和处理方法

在工程测绘中，无人机遥感技术的数据采集和处理是整个工作的核心，可对获取的图像进行数据处理与分析，包括图像校正、配准、分类、变化检测等，从而提取出有价值的信息，如地表覆盖变化、资源分布情况、环境质量状况等。例如，通过图像配准和纠正技术，可以将不同角度和不同高度的图像进行对齐和校正，提高图像的质量和精度；通过变化检测技术，可以识别出地表覆盖的变化情况，为城市规划、资源管理等方面提供依据。通常无人机航测需要做好各项准备工作，特别是需要提前到作业现场进行勘察，分析飞行环境，检查飞行设备，明确航测高度和图像重叠度。而无人机遥感技术的应用只需要获取内业和外业两种数据并进行处理，其中内业数据处理主要是数据预处理、空间三角测量、模型制作等内容，外业数据处理主要是借助无人机平台进行航测。如图1所示，为无人机遥感技术数据传输与处理流程，可以通过图像增强、图像恢复等技术提高图像的质量和清晰度，应用点云滤波、点云分类等技术对点云数据进行处理和分析，在数据配准方面可通过坐标转换、插值等方法实现数据的统一和集成，但是需要结合具体情况和需求进行针对性选择。

图1 无人机遥感技术数据采集与处理流程图

2 无人机遥感技术在工程测绘中的应用领域

2.1 地形测量与制图

无人机遥感技术在地形测量与制图方面具有显著的优势，传统的地形测量方法通常需要大量的人力和物力，而且工作量大、效率低，而无人机遥感技术可以通过航拍、高程测量等技术手段，快速、准确地获取地表的高程数据和地形特征信息，经过处理和分析后，可以制作出详细的地形图、数字高程模型等成果，为城市规划、土地资源调查、环境保护等领域提供重要的数据支持。具体而言，无人机遥感技术在工程测绘的地形测量与制图中，可根据测区的范围和地形特点，制定合理的航拍方案，包括航拍路线、拍摄角度、分辨率等，利用无人机搭载的高清相机、高程传感器等设备，按照航拍方案进行实地拍摄和数据采集。同时，对采集的数据进行处理和分析，包括图像拼接、坐标转换、高程提取等，建立详细的地形模型和数字高程模型，并制作出所需的地形图和相关成果，如等高线图、断面图等，用于地形分析、土地规划和水资源管理等方面。

2.2 工程量测与监测

无人机遥感技术在工程量测与监测领域也有广泛应用，在工程建设中，需要进行大量的工程量测量和监测工作，以确保工程的质量和安全。无人机遥感技术可以通过快速、准确的数据获取和分析，为工程量测和监测提供重要的技术支持。在工程量测方面，无人机遥感技术可根据工程需要，确定需要测量的工程量目标和测量方案，包括测量范围、测量精度、测量方法等，再利用无人机搭载的遥感设备进行航拍和数据采集，包括对建筑物的形状、尺寸等，对其进行处理与分析，提取所需要的工程量信息，如建筑物面积、体积等，进而结合测量结果输出相应的工程量数据和应用成果，为工程建设与管理提供数据支持和决策依据。在监测方面，无人机遥感技术可以通过定期或实时获取工程项目的图像和数据，与施工计划和设计进行对比和分析，从而实现对施工进度的监测和评估，帮助管理者及时了解施工进展情况发现并解决问题，优化施工计划和决策。同时，无人机遥感技术可以通过对工程项目的外观、结构和质量进行观察和分析，提取出表面平整度、结构尺寸、材料质量等质量特征和参数，帮助管理者及时发现工程质量问题，进行评估和采取相应的措施，保障工程质量。此外，无人机遥感技术可以用于对建筑物、道路、桥梁等进行长期地变形监测，实时获取目标的高清图像和定位数据，可以分析目标是否出现沉降、倾斜、裂缝等变形情况，帮助管理者及时发现建筑物的变形问题，进行预警和采取相应的措施，保障工程安全和稳定。

3 工程测绘中无人机遥感技术的应用方式

3.1 合理规划航线

在工程测绘中，无人机的航线规划是非常重要的一步，合理地航线规划可以确保无人机在拍摄过程中能够全面、准确地覆盖整个项目区域，同时也可以确保拍摄的质量和效果。在进行航线规划时，需要考虑多种因素。首先，需要根据项目需求确定无人机的飞行高度、速度以及拍摄角度和分辨率等参数，避免参数的选择影响最终获取图像和数据的精度和质量。例如，飞行高度和速度会影响无人机的视角和覆盖范围，飞行高度过低可能会导致无人机在拍摄时受到地形的影响，而无法获取全面准确的图像，飞行速度过快会导致无人机在拍摄过程中无法对目标进行准确的定位和拍摄。拍摄角度和分辨率同样也是需要考虑的重要因素，拍摄角度决定无人机在拍摄过程中与目标的角度关系，而分辨率则直接影响所获取图像的清晰度和细节程度。此外，还需要根据项目的具体需求和目标进行航线的定制化规划。例如，对于需要获取高精度数据的项目，需要将航线规划得更为细致，以确保无人机的每个拍摄动作都尽可能地准确无误。

3.2 科学布置摄像控点

在工程测绘中，摄像探点的布置对测量结果的准确性和可靠性有着直接的影响。因此，在实施工程测绘过程中，需要科学、合理地布置摄像控点，以确保最终获取的图像和数据能够满足项目的需求。在布置摄像控点时，需要考虑项目的具体需求和特点，不同的工程项目对于摄像控点的要求各有不同，以建筑工程测绘为例，需要选择合适的角度和位置来确保能够准确地测量建筑物的尺寸、形状和结构等特征。在摄像控点布置的过程中，还需要提高对控点密度和分析的重视程度，尽可能将摄像控点布置得更密集，确保摄像控点的分布能够覆盖整个项目区域，避免出现遗漏或盲区。

3.3 精准设定航测参数

无人机遥感技术在工程测绘中应用时，航测参数的设定需要非常精准，包括飞行速度、飞行高度、拍摄分辨率、曝光时间、重叠度和侧向重叠度等，避免其影响测绘结果的分辨率和精度。以重叠度和侧向重叠度参数设定为例，重叠度是指相邻航片之间的重叠程度，直接影响最终拼接图像的效果和质量，如果重叠度过低可能会导致图像拼接处出现明显的断裂或不连续，从而影响测绘结果的精度，而重叠度过高虽然可以提高图像匹配的准确性，但也会增加数据处理的工作量，需要根据项目需求和实际情况选择合适的重叠度。侧向重叠度是指无人机在飞行过程中与航向垂直方向上的重叠程度，对于测绘结果的分辨率和精度也有着重要的影响，侧向重叠度过低会导致在垂直方向上出现明显的错位或扭曲，从而影响测绘结果的精度。

3.4 高效实施内业处理

在工程测绘中，无人机遥感技术的应用涉及许多复杂的业内处理环节，比如，图像拼接、地物提取和数据分析等，为了提高处理效率和准确性，可以采取一系列有效的技术和方法实现高效内业处理。具体而言，可使用自动化的图像处理软件和算法可以极大地提高处理效率，如结构光法通过投射特殊的结构光来获取深度信息，实现图像的高效拼接。同时，还可以应用SfM（Structure from Motion）从运动中获取结构信息，通过对不同视角拍摄的图像进行分析，自动重建出场景的三维模型，减少人工干预，提高处理效率。此外，在软件应用上，可以应用CAD、CASS、ArcGIS等作为处理软件，进行图像处理、地物提取和地图编制等工作。