航空攝影與激光雷達技術在工程測繪中的應用

胡元寶

（黔西南州水利電力勘測設計院，貴州 黔西南 562400）

工程測繪是集測繪管理學、空間精密定位與導航、城市與工程建設及其測量工程等方面的基本知識和技能為一體，進行空間、大地地貌、地質構造等各種信息的測量并繪制成地形圖的特殊行業，為國土資源管理及國民經濟提升做出了巨大貢獻。伴隨著社會經濟的快速發展，我國社會各行各業得到全新的發展空間，工程測繪的覆蓋領域愈加廣泛，對技術應用提出全新的標準要求，這就需要靈活運用現代化的信息技術，促進工程測繪的轉型升級，確保測量結果準確無誤，更好地滿足當下社會的發展需求[1]。

1 航空攝影與激光雷達技術相關概述

1.1 航空攝影測量技術

航空攝影測量技術是航空系統中的重要組成，主要以飛行控制系統為載體，取得高精準的地面圖像數據，準確繪制大型地形圖，為國土資源調查與管理、地質勘查、工程測量、竣工測量等提供可靠參考。相比于傳統工程測量方法，航空攝影具有以下幾個優勢：一是著陸靈活性強，不會受到地形和環境的限制，并且無人機的占用和降落不高，實現隨時隨地起飛；二是在保證運營效率與質量的同時，允許低空飛行，并且不會受到300m～1200m 云層的影響，適當延長空中運行時間，保證運行通暢正常；三是有助于高分辨率數據搜集速度的有效提升。借助無人機導航系統內的非儀器數碼攝影頭，實現短時間內表面信息的準確獲取，逐步形成三維可視化圖像，并且在高分辨率數據圖像的幫助下，使測量領域的真實情況得到真實反映。其中，3D 模型數據便是以無人機、GPS 集合而成的新模塊，通過地面位置數據、高范圍數據的深度融合，逐步形成數字地形，這在保證生產效率的前提下，減少運營成本投入，有力保障數據測量的準確度。

1.2 激光雷達測繪技術

激光雷達技術又稱為激光雷達測量和測繪，借助電磁波進行信號傳輸，準確掌握測量位置的實際情況，通過對比分析傳輸與接收的信號數據，進而對被測物體的高度、寬度、距離等進行正確計算，查看物體處于靜止或移動狀態，進而實現對被測物體的追蹤測量[2]。合理運用激光雷達技術，能夠準確獲取三維空間坐標，實現與工程測繪的同步發展。其中，通過RealWorks、pointools、云點處理等多種方式，建立建模軟件，創建數據模型，全面反映出被測物體的真實狀態。以激光雷達測繪技術為載體的數據模型，有效突破以往測量方法中的局限性，精準測量高精度三維空間數字信息，高精度、快速度、范圍廣等，是它的主要優點。將激光雷達技術中的Lidar 與虛擬現實進行融合運用，有助于洪水、干旱、地震等自然災害的全天候監測，準確掌握被測區域的氣候條件，及時發送實時預警信號，提供更及時有效的救援及災害預防，將其應用在工程建設領域，能夠促進交通安全系統智能管理目標的順利實現，科學規劃城市建設，促進環境保護工程的順利建成。

2 航空攝影在工程測繪中的應用

2.1 路線規劃與設計

在攝影測量操作前期，工作人員應結合實際，科學規劃無人機飛行航線，做好航拍分區處理，合理確定飛行速度、高度、比例尺等重要參數。對于航拍分區，應根據被測領域地形做好分區處理，確保地形起伏不會對圖像記錄的準確性帶來影響；對于飛行高度與速度的設計，應根據航空攝影技術中地面分辨率、相機參數，與尺度、重疊度等相關要求融合處理后進行高度控制，而速度則需根據圖像清晰度進行設置，要注意對建筑障礙物的合理避讓；在標尺確定環節中，應充分考慮到成本、精度、周期等重要參數，避免標尺過低對測量精度帶來不利影響，同時防止標尺過大影響工作效率。在航拍時間安排方面，要優先選擇晴天作業，在大氣透明度較好的時間內進行，并且在中午前后2h，惡劣天氣應禁止作業。此外，路線設計人員應準確掌握本次測繪工作的高程標準、重疊度、分辨率等，妥善選擇航拍相機、攝影基線測量、高度計算等操作方法，最大限度保證整體覆蓋。

2.2 測繪區域控制網布置

結合測繪區域真實面貌，充分利用測繪區域控制網，構建空中三角網坐標平差，以現有控制點為基礎，開展現場測繪工作，直接定位地圖地形，做好室內控制點數加密處理，為航空測量提供支持[3]。在此期間，要應用到像片外方位、控制點等多個方向要素，進而為4D 制程提供像片定向參數和控制點，逐步建立起以測繪制圖為核心的通用測繪體系，并在模型建立期間做好地面點坐標的求解工作。在測繪區布置期間，應具備良好的全局性目光從全局性角度出發，以便通過控制網，深度掌握航空攝影測繪的方方面面，進而有效提高測繪工作質量，減少作業期間問題的出現，保證測繪數據精準度。

2.3 測量圖與外業補測應用

以無人機航空攝影測量技術為載體開展工程測繪，科學測量并深入研究項目區域和地面，準確獲取工程相關數據信息，科學運用現代化軟件技術，對已獲取工程數據信息進行對比分析，按照我國相關政策要求，建立數字CAD 信息模型。在這種情況下，能夠使地形信息的真實情況得到反映，結合其中的信息映射、距離轉換搜索等內容，為后期的圖像數據分析與應用提供有力保障。在土地數據測量中，補充現場測量技術是比較常見的技術手段，在現場施工作業時，相關技術人員要對無人機獲取信息展開深層次的檢查、測試與評估工作，進而對所拍攝的測量數據準確度進行確定。之后，由工程師檢查并分析測量區域內的特定地形和地理位置，并對人工場所展開深入調查，以此保證測量結果科學準確。

2.4 數據處理

正確的數據處理與管理是保證工程測繪數據精準度的重要方式。在工程項目建設期間，應提前對所得數據進行核對處理，客觀判定所得成像畫面質量，若畫面清晰且質量極佳，即代表該數據可以運用；若最終顯示成像與工程測繪要求存在偏差，應深入分析偏差形成原因，合理制定有效的解決措施，最大限度地減少二者之間的差異性[4]。在此期間，應注重操控人員技術方法的強化，定期開展技術培訓會議，著重培養技術人員數據分析及突發問題的解決能力，不斷夯實技術隊伍知識儲備，保證測量數據分析的正確與可靠性，進而有效提高航空測繪質量。值得注意的是，為有效改善圖像失真現象，應結合實際拍攝情況，做好通信設備的更新與更換處理，以此保證測量期間所捕獲數據、圖像的準確性，提高數據傳輸有效性，并定期對航空設備進行測試與維保處理，確保航空設備始終處于良好運行狀態。

3 激光雷達技術在工程測繪中的應用

3.1 基礎測繪

一般情況下，基礎測繪通常在獲取測繪對象基本信息的前提下，進行相應的測繪處理工作，也就是對被測對象的數字影像進行切割反映，進而為后期工程建設打好基礎的初步測繪。但就事實而言，基礎測繪造成流程比較繁雜，想要使測繪數據精準度得以有力保障，就需結合實際情況，嚴格、精細規劃測繪方案，精準定位三維坐標。在此期間，應充分利用激光雷達測繪技術，發揮技術優勢，對地面三維地表、測繪重點、測繪流程等進行確定，結合現實情況及時糾正高精度微分，以此保證所測量數據精準無誤。值得注意的是，這樣的測繪方式能夠使被測領域的地物、植物等物體三維信息得到真實反映，無需借助數字測量，便可高效完成既定處理，進而為后期測繪操作及高效作業推進等提供有力保障。

3.2 精密測繪

建筑測量、變形測量、沉降測量是比較常見的精密工程測繪手段，這些工程均以測量目標為導向，廣泛采集測繪信息，完成三維物體模型構建處理。在精密測繪工程中應用以上幾種手段，應具備有力的數據支撐，這就需要激光雷達測繪技術的合理運用，滿足工程測繪的實際需要[5]。在電力選線工程、水文測繪、建筑測繪、沉降工程測繪、礦山勘探等測繪測量工作中，都需要采集測繪目標提供準確的三維坐標信息，對于測繪精度有著超高要求，而傳統測繪技術并不能實現，這就需要借助地面激光雷達技術、機載激光雷達技術來實現。在實踐中，通過分析實際景物，構建測繪模型，借助數碼相片獲取相應紋理信息，進而科學構建準確的三維模型。例如：在設計電力線路過程中，地面激光雷達技術輔助應用，結合獲取測繪機構，從宏觀角度對設計線路的環境、地形等情況進行客觀判斷，即便是在樹木密集領域，同樣能夠精準計算出電力線路鋪設期間的樹木數量變動及數據變化情況，整個操作過程簡便又合理。再如：對于電力線路的搶修與養護，以電力線路中地面裸露點總高程、激光雷達測繪數據點為切入點，精準計算出不同線路與地面之間的距離，進而為電力線路搶修與養護提供可靠數據，最大限度保證測繪質量。不僅如此，激光雷達技術的合理運用，能夠實現被測對象紋理信息的高效獲取，進而為測繪模型構建、數據細化處理等創造更多便捷空間，高效持續推進精密工程建設。

3.3 建立數字高程模型

激光雷達是集激光技術、現代光電探測技術為一體的先進探測手段，其中所含有的激光點云數據的密度高、精度大，能夠真實體現激光點位的三維坐標特點，這也是激光雷達測繪技術的重要數據產品之一，在工程測繪中起到關鍵作用。通過自動處理、人工交互處理等多種方式，將人投射到建筑物、房屋、植物等非地形目標中，形成激光點云并展開濾波處理，進而建立起不規則二角網TIN，實現DEM 快捷提取。這些激光點具有明顯的共同特征，便是數量多、密度大，快速獲取目標測繪信息，在保證DEM 分辨率與精準度的同時，促進測繪數據的迅速采集與科學整理，將最終的數據處理結果作為工程建設參考，能夠滿足不同行業對測繪精度的標準要求。

3.4 構建數字礦山

在社會經濟快速發展的今天，由于礦山過度開采，對生態環境造成嚴重破壞，資源枯竭現象十分嚴峻，市場近期狀況不佳，這就需要加強數字礦山建設，從多方位、多角度去思考問題，綜合考慮到工程測繪期間人力、材料、機械設備等要求，采取有效手段實現根治。數字礦山建立，便是借助激光雷達技術，快速采集并系統分析整個礦山數據，結合礦山實際情況建立相應的建筑三維模型，不同部分的構成不同，建模期間需要考慮的側重點自然大不相同。通常情況下，應采取分層構建方式，并配套多方位評價模式，科學評判工程測繪期間的環境、結構特點、自然災害等[6]。如此一來，測繪信息得以高效反饋，并且實現24 小時不間斷提供數據，整體模型構建更加科學合理，實現對未來可能發生的事故隱患的預測與評估，便于相關人員及時做出反應，真正做到防患于未然。

3.5 水下地形測量

針對水底工程的測量作業，可以通過激光雷達技術中兩種不同波長的激光束進行。例如在利用紅光（或紅外光）SHOALS 系統測量水面時，藍綠光可以快速穿透水面測量水底，通過兩個光束接收時間，精準計算出水的深度，以此為切入點開展大面積的水下地形測量工作。一般情況下，對于海道測量Lidar 所能測量的海水，深度約在50m 作為適宜，并且該深度會跟隨水質清晰度變動而發生變化，在航道、水文、近海海洋等行業領域中發揮著巨大作用，始終被業內人士所推崇。

4 結語

綜上所述，社會在發展，時代在進步，技術手段的普及與推廣，促使我國工程測繪走向全新的發展道路，各類測繪測量技術的優勢價值愈加顯著。在新時期發展背景下，我們應充分利用航空攝影與激光雷達技術，將二者靈活運用在工程測繪領域中，深度掌握技術應用要點，準確覆蓋至國土、規劃、測繪、地震、交通、土地、房產等多個領域中，逐步帶領我國工程測繪行業的革新發展，在保證測繪質量與效率的前提下，更好地為社會經濟發展做出貢獻。