無人機低空攝影測量系統在工程測量中的應用

韓 興，孫文永

（1.中國建筑土木建設有限公司，北京 100068；2.中建八局檢測科技有限公司，北京 102488）

近幾年，無人機技術得到了長足的發展，而無人機低空攝影測量系統的應用優勢也逐漸凸顯。該系統在實際應用中具備結構簡單，并且使用成本更低的優勢。不僅能夠完成有人駕駛飛機執行的各項任務，同時也能夠針對有人飛機無法到達的區域完成各項工作任務，例如危險區域或遙感監測任務等[1]。在利用無人機對被監測或被測量物體進行航拍時，其影像的清晰度和比例尺等均能夠達到良好的預期效果。當前該系統已經逐漸應用到林業、農業、資產調查等領域當中，并逐漸成為國家測繪部門以及相關機構重點推廣的新技術。隨著當前現代技術的不斷進步，全球定位系統技術、通信技術等均得到良好發展，而無人機的民用化水平也逐漸提升，所涉及的領域逐漸擴展到三維建模、林業、災害評估等[2]。當前，全球無人機種類眾多，并且結構相差較大，根據不同的測量任務可對無人機的類型進行合理選擇，以進一步提高該系統的應用效果。因此，基于當前無人機低空攝影測量系統的應用優勢，本文以工程測量為例，針對其在工程測量當中的應用開展相關研究。

1 無人機低空攝影測量系統在工程測量中的應用

1.1 基于無人機低空攝影測量系統的區域網平差

為了實現對作業工程的現場測量，本次研究中引進無人機低空攝像測量系統，參照系統的作業流程，進行區域網的平差研究。其中系統測量作業流程如下圖1所示。

圖1 無人機低空攝影測量系統作業流程

在掌握系統作業流程的基礎上，采用在野外布控測量點的方式，進行工程測量區域的三維布網。在完成相關作業行為后，進行區域網平的校正與約束，在此過程中，選擇單航帶連續法進行重疊區域進行坐標系的構建，將構建的坐標系與校正的三維空間坐標軸進行疊向對接。完成對坐標點的對象處理后，提取空間坐標軸內的三角元素，將定值元素作為一個定值數據，按照此種方式實現對空間坐標軸的校正[3]。并將校正后的坐標軸與輔向坐標軸保持相互平行，對應模型的比例尺與原點坐標保持布標，可得到一個X-Y-Z的區域網坐標體系。在此基礎上，將航帶的立體攝像探頭進行相對定向處理，進行平差過程中坐標軸的轉換。此過程如下計算公式所示。

公式（1）中：X、Y、Z分別表示為區域網坐標體系；x、y、z分別表示為三維布網對應的空間坐標點；R表示為校正范圍；f表示為坐標點連續性，按照上述計算公式，實現對坐標體系的轉換，參照轉換后的坐標點，完成對工程測量區域的平差處理。

1.2 基于傳感器的測量誤差校驗

按照上述內容實現對工程區域的測量的區域網平差后，為了確保測量結果的精度，需要對測量結果進行檢驗，從而實現對其誤差的補償。傳感器是測量系統當中重要的組成部分，在一定程度上決定著測量得到的地面影像圖像的清晰度[4]。針對無人機上相機的誤差校驗，可采用控制場檢驗方法實現。在校驗的過程中，按照公式（2）所示的校驗模式完成校驗。

公式（2）中，a、b表示為像方坐標；A、B、C表示為物方坐標；l和i表示為線性系數。根據上述公式（2），將其應用到測量系統的相機校驗當中，提高相機的精度。除此之外，針對測量系統獲得的工程測量圖像，通過內方位元素方式，實現對其相機位置的校驗。圖2為內方位元素結構示意圖。

圖2 內方位元素結構示意圖

圖2 中I、II和III表示為三個在內方位元素結構當中的點；S表示為攝影中心；f表示為攝影中心S到圖像的垂直距離。通過內方位元素來決定攝影中心點，從而得到圖像的相對關系，并通過相對位置關系，對測量過程中相機的拍攝位置光束形狀進行確定[5]。在上述確定相機光束形狀的基礎上，結合光學畸變差原理從徑向畸變和偏心畸變差，對其產生的誤差進行補償，其表達式為。

公式（3）中，r表示為向徑；k表示為徑向畸變差系數。根據上述公式，完成對畸變誤差的補償，從而得到的最終結果即為精準度較高的工程測量結果。

2 應用效果分析

通過本文上述論述，針對無人機低空攝影測量系統在工程測量中的應用進行分析，為了進一步驗證該系統應用后的工程測量精度是否得到提升，本文選擇以進行工程施工的項目為依托，針對其工程測量任務，引入上述測量系統對其開展測量工作。已知該工程項目總占地面積約為152820平方米，選擇將該測量區域內的東西方向及測量區域東側的東北方向作為主要測量路線。選擇測量路線的左右各300m范圍作為研究區域。在測量前，首先對測量系統的各項參數確定，將地面分辨率設置為0.1m，將航線間隔設置為400m，將焦距設置為35m，將基準面設置為75%。分別針對測量區域內的平地和丘陵地兩種地形結構的五個測點進行測量，并將通過測量系統得出的結果與實地測量結果進行對比。實地測量采用高精度工程測量儀完成。計算本文測量方法的誤差，誤差計算公式為：測量結果誤差=實地測量結果-本文測量方法測量結果。將結果繪制成如表1所示。

表1 工程測量結果誤差記錄表（單位：mm）

從表1得出的測量誤差記錄結果可以看出，平地測量誤差明顯小于丘陵地測量誤差，但表1中所有誤差值均在工程測量精度標準小于20.0mm范圍內，說明測量精度符合要求。因此，通過將本文測量方法應用于實際進一步證明，利用測量系統對工程項目中各測量點測量的精度滿足實際要求。

3 結語

科技水平的不斷提升促進了無人機低空攝影測量系統在工程測量當中的應用水平提升，通過本文對該系統在工程測量當中的應用進行研究，進一步分析得出，利用該系統能夠在確保測量精度，提高測量效率的基礎上，保障測量技術人員的人身安全，并實現對地形圖的精準測繪。目前，由于該系統的固定成本和軟件部分的成本較高，在實際應用中仍然存在一定的局限性問題。因此，作為現代測繪和未來測繪最重要的測量方式，還需要對該系統進行不斷地優化，并進一步增加研究深度。