工程測量中無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用研究

鄒水寶

福建閩晟勘測規(guī)劃有限公司，福建，福州，350011

0 引言

隨著信息時代的到來，無人機(jī)發(fā)展迅速，在許多行業(yè)中發(fā)揮著很大的作用。無人機(jī)具有體積小、靈活性強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點，為工程測繪和數(shù)據(jù)采集創(chuàng)造了有利條件。無人機(jī)測量技術(shù)可以解決復(fù)雜的工程測量技術(shù)問題，不僅有效提高了工程測量的效率，而且可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域來保證數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，促進(jìn)工程安全測量的順利進(jìn)行。無人機(jī)航測技術(shù)使局部數(shù)據(jù)得到更新，滿足了工程測量高精度的要求，促進(jìn)了測繪信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步[1]，其廣泛應(yīng)用是現(xiàn)代社會發(fā)展的必然趨勢。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，無人機(jī)攝影技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。本文系統(tǒng)概述了無人機(jī)空中測量的技術(shù)知識，希望這些內(nèi)容有助于讀者更好地理解無人機(jī)航測，從而促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。

1 無人機(jī)航測技術(shù)的原理

無人機(jī)是由無線電設(shè)備控制或編程的小型飛機(jī)。無人機(jī)技術(shù)用于工程測量需要高分辨率相機(jī)或機(jī)載激光定位器的技術(shù)支持，以及數(shù)字圖像手段的使用，如裝載數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字視頻錄像機(jī)。無人機(jī)航測系統(tǒng)的測量主要需要高分辨率圖像數(shù)據(jù)的快速處理和反饋、實時對地觀測能力和信息處理能力。因此，測量需要視頻信息采集與處理系統(tǒng)的支持。圖像信息采集系統(tǒng)包括飛行控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)。無人機(jī)在空中構(gòu)建航空立體圖像時，將獲得沿飛行路線的垂直航空圖像。航向覆蓋率通常為70%，橫向重疊率約為50%。

照片匹配是指在相同距離的兩個不同位置拍攝同一目標(biāo)的照片。為了處理接收到的信息，需要將數(shù)據(jù)集成到文件中，并實時處理無人機(jī)拍攝的大量圖像。目前，用于無人機(jī)工程測量的遙感信息處理系統(tǒng)一般由空中三角測量系統(tǒng)和三維仿真系統(tǒng)組成，在工程測量中起著重要作用，是保證測量精度的關(guān)鍵。空中三角測量系統(tǒng)將首先研究并確定軌跡，對其進(jìn)行分類和整合，確定它們之間的關(guān)系，然后對圖像進(jìn)行內(nèi)部定位，并通過分析無人機(jī)獲得圖像的共軛點布局，例如測量控制點，通過計算方程形成全維三維模型，實現(xiàn)構(gòu)建模型的目標(biāo)，最終得到核心圖像。從技術(shù)的實際應(yīng)用來看，無人機(jī)航測是一種現(xiàn)代化、更先進(jìn)的信息獲取方法，它不僅在降低環(huán)境要求的前提下保證了測量精度，而且具有操作簡單方便的優(yōu)點。無人機(jī)工程測量前，相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)首先檢查無人機(jī)的質(zhì)量和性能，及時消除存在的問題和異常。

2 無人機(jī)航測技術(shù)的特點

（1）無人機(jī)的高度靈活性。首先，無人機(jī)在起飛、著陸和飛行調(diào)整方面與大型飛機(jī)相比具有明顯優(yōu)勢。由于無人機(jī)在不受氣候干擾的情況下多用來測量低空條件，因此其工作更加靈活。在起降控制過程中，只需稍微平整的地面，無需建立專用機(jī)場，整體場地配置較低。在技術(shù)的不斷發(fā)展下，無人機(jī)的爬升高度達(dá)到千米，覆蓋面達(dá)到數(shù)十平方公里，在航測中具有很大的實用性。

（2）無人機(jī)的高效性。考慮到山區(qū)、林地等特殊情況，在使用無人機(jī)時，也可以通過攝影方式進(jìn)行記錄。此外，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其續(xù)航時間短的缺點也隨之得到完善，因此它可以更持久地進(jìn)行測量，有效提高工程測量的效率。此外，無人機(jī)需要的工作人員相對傳統(tǒng)測量也更少，這樣不僅能有效地進(jìn)行測繪，還能減少測繪成本，從而更加有效地開展測繪工作。

（3）無人機(jī)的高性價比。一方面，對設(shè)備成本來說，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)的價格越來越低，以大疆為例，大疆精靈4RTK版本的無人測量設(shè)備從開始的大幾十萬到現(xiàn)在的兩三萬就可以買到，同時還帶有機(jī)身損傷的保險，所以在相同的測量任務(wù)中，不僅硬件成本優(yōu)于大型飛機(jī)，運營成本更低，而且節(jié)省了更多的維修成本。與傳統(tǒng)的測量方法相比，無人機(jī)在獲取測量信息時具有更高的及時性、更低的運行成本和更好的無人復(fù)雜度，能夠在短時間內(nèi)完成高精度的工程任務(wù)。

（4）無人機(jī)的安全性。過去，在工程測量中受限于技術(shù)手段，更多地依靠人工測量方法，然后才開始發(fā)展航空測量。然而，在特殊的工程條件下，它可能會威脅到人員和測量設(shè)備的安全，并造成一定的危害。無人機(jī)航測的實用性直接擺脫了周圍空間的限制，無需人員直接參與，無人機(jī)本身具有很高的可控性，可以實現(xiàn)自動故障恢復(fù)和安全避讓，大大提高了測量安全性，促進(jìn)了航拍的發(fā)展[1]。

3 無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著無人機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，無人機(jī)的使用范圍也越來越廣泛。各國競相投入無人機(jī)研究，我國也在無人機(jī)開發(fā)方面取得了重大突破，成為無人機(jī)產(chǎn)品的主要出口國。在高需求下，無人機(jī)技術(shù)也在不斷提高。此外，無人機(jī)具有較高的適用性，不斷發(fā)展、逐步融入各個應(yīng)用領(lǐng)域，推動技術(shù)創(chuàng)新。無人機(jī)技術(shù)不僅推動了工業(yè)發(fā)展，而且服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與低空遙感技術(shù)的新突破相結(jié)合，大大提升了無人機(jī)航測技術(shù)在工程測量中的實用價值。無人機(jī)航測通常使用低空（200～1500m）無人機(jī)進(jìn)行，既可以提供足夠的成像精度，又避免云層對圖像的影響。在實際操作過程中，無人機(jī)安裝了航空數(shù)碼相機(jī)，然后通過自身的控制模塊進(jìn)行檢測。隨著技術(shù)的進(jìn)步，航測儀器主要通過GPS提供自主導(dǎo)航服務(wù)，航測數(shù)據(jù)的采集和處理可以在飛行控制過程中同時進(jìn)行。在傳統(tǒng)的工程測量中，人們更依賴于人，而無人機(jī)航測提供了一種有效的替代方案，提高了測繪的整體效率。同時，在實際應(yīng)用中，航測無人機(jī)具有較高的飛行靈活性、工程測量效率和數(shù)據(jù)精度，它可以突破工程測量的諸多局限性，避免人工測量的不便。

4 無人機(jī)航測技術(shù)的實際應(yīng)用

4.1 在水利工程中的應(yīng)用

為獲取安全性能測量數(shù)據(jù)，滿足水利工程建設(shè)的需要，可采用無人駕駛航測。在實際測量之前，需要提前規(guī)劃無人機(jī)的航路，結(jié)合測量的工程需要選擇無人機(jī)的控制位置，避免大地測量對測量精度的影響，提前確定測量方向和近似飛行軌跡。考慮到圖像清晰度和航空數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，必須仔細(xì)規(guī)劃，以優(yōu)化無人機(jī)攝影的效果。在實際航測中，通常會將航路數(shù)據(jù)輸入無人機(jī)設(shè)備中，這樣可以有效簡化航測過程，讓無人機(jī)進(jìn)行自動化測量，降低無人機(jī)的控制難度。例如在水庫監(jiān)測項目中，無人機(jī)可以有效地對全景進(jìn)行拍攝。眾所周知，水庫及周邊的地形測繪是相對難度較高的，主要是傳統(tǒng)測繪中人和儀器設(shè)備難以到達(dá)，無法準(zhǔn)確采集相關(guān)數(shù)據(jù)，自從有了無人機(jī)航測技術(shù)后，該項工作變得更為簡單、高效且安全。

4.2 在水污染治理工程中的應(yīng)用

藍(lán)藻等水生植物因水污染過度繁殖，嚴(yán)重?fù)p害了水質(zhì)，造成多種環(huán)境危害。因此，有必要控制藍(lán)藻的數(shù)量，以控制水污染，尤其是在目前已有的水污染環(huán)境中。在實際的水污染檢測中，應(yīng)合理設(shè)置藍(lán)藻檢測點，有效獲取藍(lán)藻的繁殖和生長情況，無人機(jī)的檢測可靠性更適合航測，在水污染監(jiān)測中發(fā)揮了突出作用。應(yīng)用無人機(jī)可以實時傳輸檢測到的藍(lán)藻數(shù)據(jù)，并通過高精度圖像顯示污染事實，便于后續(xù)的污染控制。在實際檢測中，污染數(shù)據(jù)的采集不僅要依靠無人駕駛飛機(jī)，還要依靠人的參與，從而盡可能保證測量精度。為了滿足各種測量要求，無人機(jī)在攝像機(jī)的選擇上主要采用焦距鏡頭。因此，應(yīng)提前進(jìn)行焦距測量，合理確定焦距和畸變，以提高航測的精度。

4.3 在環(huán)境治理工程中的應(yīng)用

由于氣候條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的測量方法無法保證測量的準(zhǔn)確性，影響環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量。無人機(jī)可以減輕其干擾，獲得準(zhǔn)確的環(huán)境數(shù)據(jù)，為環(huán)境治理奠定全面的基礎(chǔ)。以水資源與環(huán)境管理為例，無人機(jī)航測主要通過可見波段提取方法獲取水植被特征數(shù)據(jù)，將航測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，描述植被特征，確定水生植被的麻風(fēng)病程度。另一方面，無人機(jī)航測可以用于緊急情況下的快速測繪。在執(zhí)行應(yīng)急環(huán)境測繪任務(wù)時，可以盡快采集檢測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過航測有效采集數(shù)據(jù)，然后訪問服務(wù)器完成數(shù)據(jù)分析，獲得DTD、DSM等影像測繪結(jié)果[2]。

4.4 在突發(fā)事件處理中的應(yīng)用

在救災(zāi)中，效率是最重要的。在地震等突發(fā)性和大規(guī)模自然災(zāi)害的情況下，快速完成地形測量是有效和快速響應(yīng)的基本前提。為了使應(yīng)急救援更加及時，借助無人機(jī)和航測技術(shù)，可以快速完成災(zāi)區(qū)地形測量，航測數(shù)據(jù)主要依靠圖像，可以極大地方便救援行動，為救援計劃提供重要支持，使現(xiàn)場救援更有針對性。例如青海省玉樹地震中，山區(qū)和河流再加上雨天，加劇了災(zāi)區(qū)環(huán)境監(jiān)測的困難程度。如果采用載人航空遙感技術(shù)，震區(qū)監(jiān)測的有效性無法保證，也難以獲得災(zāi)區(qū)的實時圖像，不利于救災(zāi)；而在實踐中，無人機(jī)航拍則大大降低了地震區(qū)成像的難度，可以在災(zāi)區(qū)進(jìn)行實時觀測，極大地方便了救災(zāi)指導(dǎo)，充分體現(xiàn)了航拍在應(yīng)急處置中的優(yōu)勢。

4.5 在特殊地形環(huán)境中的應(yīng)用

無人機(jī)測量技術(shù)也用于設(shè)計其他要求高測量精度的主要工程設(shè)施。首先，根據(jù)項目的實際需要確定測量區(qū)域，并進(jìn)行現(xiàn)場研究，確定空氣濕度、風(fēng)向、坡度等。根據(jù)測量對象精度的要求，在設(shè)計攝影和航測方法時，還需要校正無人機(jī)攝影過程中的圖像失真。為了確保測量的準(zhǔn)確性，每個圖表需要設(shè)置數(shù)個檢查點，建立數(shù)字高度模型，并接受質(zhì)量檢查。執(zhí)行航測任務(wù)的無人機(jī)非常容易受到氣流的影響，導(dǎo)致角度超過標(biāo)準(zhǔn)或偏離路線，因此在無人機(jī)航測過程中需要把握測區(qū)狀況，如天氣、地形、磁場等。目前，工程建設(shè)的特殊生態(tài)區(qū)越來越多，如密林、山區(qū)等，無人機(jī)可以克服這些特殊地形測量的空間限制。通過無人機(jī)，工程測量結(jié)果更加準(zhǔn)確有效。在工程實踐中，由于航測系統(tǒng)基本成熟，而無人機(jī)可以提高工程測量的智能化水平，總體控制難度不高，能夠滿足大多數(shù)特殊地形的需要。因此，無論是新農(nóng)村建設(shè)還是土地測繪的應(yīng)用，都可以反映無人機(jī)航測的優(yōu)越性。

在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，水利工程施工過程中的局部測量經(jīng)常出現(xiàn)一定的危險性。例如，難以測量流域內(nèi)的湍流和危險海灘，測量員獲得的數(shù)據(jù)精度較低；盆地和峽谷的河流曲率較淺，難以測量；森林植被密度高，有毒昆蟲多，嚴(yán)重威脅測繪人員的人身安全，導(dǎo)致測繪項目進(jìn)度緩慢且不安全。在此基礎(chǔ)上，利用無人機(jī)航測技術(shù)對整個工程空間進(jìn)行精確測量，不僅可以縮短測量時間、進(jìn)一步提高測量質(zhì)量，還可以保障測量人員的安全。總之，無人機(jī)測繪技術(shù)的應(yīng)用大大提高了工作的效率和安全性。

4.6 在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

無人機(jī)航測技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，有助于提高抽樣精度、統(tǒng)計規(guī)律與數(shù)據(jù)分布特征的一致性。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，數(shù)據(jù)采集具有越來越重要的意義。目前，無人機(jī)航測方法可以改善地形特征模擬，促進(jìn)城市建設(shè)。當(dāng)需要某些特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)時，應(yīng)用該技術(shù)可以進(jìn)行多方面的綜合數(shù)據(jù)采集，不斷豐富參考數(shù)據(jù)庫，使建筑行業(yè)能夠進(jìn)行理性分析，從而提高城市建設(shè)的質(zhì)量。在這個過程中，數(shù)據(jù)收集容易出現(xiàn)波動。因此，必須以更加合理的方式完成數(shù)據(jù)收集。

4.7 在礦山測量中的應(yīng)用

礦產(chǎn)資源對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展至關(guān)重要，對社會資源的需求也在不斷增加，相關(guān)部門應(yīng)注意這一點，并通過先進(jìn)的技術(shù)減少運營過程中對環(huán)境的破壞。此時，借助無人機(jī)測量技術(shù)，可以及時獲得可靠的信息（包括視頻數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)），尤其是在惡劣的工作條件下。為了解決資源開發(fā)帶來的環(huán)境保護(hù)問題，通過無人機(jī)的航拍及航測技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)并防止胡亂挖掘現(xiàn)象和破壞情況數(shù)據(jù)采集的行為，減少對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的破壞。

4.8 輔助自然資源管理

國土空間規(guī)劃、土地利用現(xiàn)狀、海洋污染調(diào)查、土地開發(fā)、復(fù)墾等作為土地管理過程中重要的組成部分，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取離不開新型測繪技術(shù)，集中無人機(jī)航（拍）測可以作為主要數(shù)據(jù)的獲取手段之一。通過無人機(jī)航拍可以及時獲取土地的利用現(xiàn)狀、有助于解決土地調(diào)查中的矛盾；無人機(jī)航測的實施將使土地規(guī)劃更加可行，方案設(shè)計更加合理，從而提高土地規(guī)劃的效率和整體工作質(zhì)量；通過無人機(jī)航拍技術(shù)可以有效地針對海洋垃圾污染進(jìn)行監(jiān)測，并對污染情況進(jìn)行測繪；通過無人機(jī)航拍可以對土地開發(fā)、復(fù)墾前后進(jìn)行直觀、有效的對比，且無人機(jī)航測還能有效地完成土地開發(fā)和復(fù)墾后實際開發(fā)的工程量結(jié)算。因此，無人機(jī)在自然資源管理領(lǐng)域也是不可或缺的。

5 結(jié)語

綜上所述，在技術(shù)進(jìn)步的推動下，無人機(jī)航測取得了顯著成效，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、工程建設(shè)、生態(tài)監(jiān)測、自然資源管理等各類工程測繪業(yè)務(wù)，實現(xiàn)了良好的技術(shù)效果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量方法的差距，促進(jìn)了工程測量的技術(shù)創(chuàng)新。從技術(shù)角度看，無人機(jī)航測結(jié)合了工程測量，具有高精度、高靈活性和高效率，能夠適應(yīng)各種工程測量。依托無人機(jī)航測的技術(shù)優(yōu)勢，整體測量質(zhì)量大大提高。然而，結(jié)合工程實踐可以看出，無人機(jī)航測也存在不足，尤其是在穩(wěn)定控制和續(xù)航時間方面。因此，無人機(jī)航空測量需要進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足更高的工程測量要求。