無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用

高強(qiáng)

（太原市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西太原 030000）

0 引言

現(xiàn)階段，許多地區(qū)都開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)作為測(cè)量設(shè)備，完成測(cè)繪工作。特別是隨著當(dāng)前影像技術(shù)的發(fā)展和突破，無(wú)人機(jī)設(shè)備已逐漸成為測(cè)繪工程中最主要的測(cè)繪設(shè)備。通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)展測(cè)繪工程，相較于傳統(tǒng)的測(cè)繪模式來(lái)說(shuō)，不僅提升了測(cè)繪準(zhǔn)確率，還有效提高了工作效率。本文針對(duì)我國(guó)測(cè)繪工程的發(fā)展現(xiàn)狀以及無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，探究了通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展測(cè)繪工程的策略。

1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量成為一種新型的測(cè)繪手段，無(wú)人機(jī)設(shè)備具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、消耗成本低、機(jī)動(dòng)靈活等實(shí)際特點(diǎn)，因此，能夠完成具有一定難度的測(cè)繪任務(wù)。從具體組成上來(lái)看，無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)一般由地面系統(tǒng)、飛行平臺(tái)、傳感器、數(shù)據(jù)處理4 個(gè)部分組成。地面系統(tǒng)包括作業(yè)指揮、后勤保障等車(chē)輛；飛行平臺(tái)包括無(wú)人機(jī)飛機(jī)、維護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等；影像獲取系統(tǒng)包括電源、GPS 程控導(dǎo)航系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括糾正系統(tǒng)、立體測(cè)圖系統(tǒng)等。從無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)看，在2012 年以后無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速。一些單位根據(jù)本單位的實(shí)際情況，將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于航空攝影測(cè)量過(guò)程中。在這一時(shí)期，旋翼型無(wú)人機(jī)可搭載激光三維掃描雷達(dá)問(wèn)世，該種設(shè)備的問(wèn)世能夠?qū)崿F(xiàn)小面積數(shù)字測(cè)量。測(cè)繪軟件廠商根據(jù)測(cè)量需要，積極開(kāi)發(fā)自動(dòng)化無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)航測(cè)速率軟件的有效開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提升測(cè)繪的精準(zhǔn)程度。在無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展過(guò)程中，越來(lái)越多的單位或者企業(yè)意識(shí)到無(wú)人機(jī)測(cè)繪測(cè)量在遙感測(cè)繪領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在無(wú)人機(jī)設(shè)備使用過(guò)程中，可以搭載多種較為先進(jìn)的遙感設(shè)備，如高分辨率CCD 數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀，輕型光學(xué)相機(jī)等。無(wú)人機(jī)設(shè)備可以采集相關(guān)數(shù)據(jù)及信息，在數(shù)據(jù)以及信息采集完畢之后，通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)于數(shù)據(jù)以及信息進(jìn)行處理，同時(shí)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作成圖像。通過(guò)運(yùn)用無(wú)人機(jī)設(shè)備，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┹^為完整的遙感影像資料，對(duì)于了解測(cè)繪地區(qū)地質(zhì)水文情況起到至關(guān)重要作用。在具體應(yīng)用方面，由于無(wú)人機(jī)設(shè)備本身具有一定優(yōu)勢(shì)，因此，無(wú)人機(jī)測(cè)繪測(cè)量遙感技術(shù)可以應(yīng)用于突發(fā)事件處理過(guò)程中[1]。在各類(lèi)突發(fā)事件中，如果采用較為常規(guī)的方法進(jìn)行測(cè)繪地圖制作，很難達(dá)到較為理想的效果，同時(shí)測(cè)繪周期較長(zhǎng)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于測(cè)繪區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但如果合理應(yīng)用無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)繪則可以有效解決上述問(wèn)題，通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用，能夠在第一時(shí)間了解測(cè)繪區(qū)域的大體情況，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于測(cè)繪區(qū)域的全程監(jiān)測(cè)，最終達(dá)到較為理想的社會(huì)效果，也能夠?yàn)槭褂谜咛峁┲匾獏⒖家罁?jù)。

2 無(wú)人機(jī)技術(shù)在市政工程測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 能夠?qū)崿F(xiàn)高速監(jiān)控

在市政工程勘測(cè)過(guò)程中，測(cè)量人員通過(guò)利用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于所施工區(qū)域的高速監(jiān)控，通過(guò)進(jìn)行高速監(jiān)控了解工程現(xiàn)場(chǎng)具體情況。運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)，能夠讓市政工程施工企業(yè)在對(duì)市政工程進(jìn)行測(cè)繪過(guò)程中，避免一些外界因素干擾，最大程度提高測(cè)量精準(zhǔn)性。通過(guò)運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速監(jiān)控，也有利于進(jìn)一步節(jié)約市政工程施工成本，對(duì)于市政工程企業(yè)未來(lái)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。在無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，市政工程施工企業(yè)有關(guān)方面也應(yīng)當(dāng)高度重視，為無(wú)人機(jī)技術(shù)有效應(yīng)用提供便利條件。

2.2 能夠保障數(shù)據(jù)的安全性

在傳統(tǒng)的工程測(cè)繪模式中，需要市政工程施工企業(yè)組織測(cè)繪隊(duì)伍進(jìn)行測(cè)繪，但由于測(cè)繪人員水平各不相同，很容易出現(xiàn)工作失誤現(xiàn)象。同時(shí)在測(cè)繪信息的保管方面也存在相應(yīng)問(wèn)題，如果測(cè)繪人員不能夠按照相關(guān)操作流程，對(duì)于測(cè)繪信息進(jìn)行及時(shí)傳輸或者保管，則會(huì)造成測(cè)繪信息丟失，最終讓市政工程施工企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失。如果在實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中運(yùn)用較為先進(jìn)的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，則能夠通過(guò)電子方式傳輸或者保管測(cè)繪信息。在進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，技術(shù)人員可以運(yùn)用數(shù)據(jù)安全加密系統(tǒng)，對(duì)于所得的數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行安全加密，通過(guò)設(shè)置防火墻的方式，能夠保障數(shù)據(jù)安全。再者，由于應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)控技術(shù)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)設(shè)備可以與測(cè)繪目標(biāo)保持一定距離，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也能夠避免外界因素的干擾而導(dǎo)致傳輸誤差。總的來(lái)看，運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，能夠在最大程度上保障數(shù)據(jù)以及信息安全，為各類(lèi)市政設(shè)計(jì)以及建造提供重要依據(jù)。

3 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用規(guī)范

3.1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用流程

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用流程可以分為外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分。其中，外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要包含原始航攝影像數(shù)據(jù)的采集和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取。①原始航攝影像數(shù)據(jù)的采集流程包含測(cè)區(qū)踏勘、設(shè)計(jì)航攝方案和影像數(shù)據(jù)采集。測(cè)區(qū)踏勘方面，針對(duì)攝區(qū)的氣象、地形高度、光照及房屋分布等情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。設(shè)計(jì)航攝方案方面，根據(jù)測(cè)區(qū)踏勘得到的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)情況，規(guī)劃航線方向和航線線路，擬定航攝日期，確定航線的架次分區(qū)情況，指定航攝可能出現(xiàn)的應(yīng)急預(yù)案。影像數(shù)據(jù)采集方面，參照航攝方案，在外業(yè)航攝軟件上，確定返航點(diǎn)，設(shè)置返航高度、重疊度及分辨率等參數(shù)，開(kāi)啟自動(dòng)避障模式，啟動(dòng)航飛，采集原始影像數(shù)據(jù)。②像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取流程包含像控點(diǎn)的布設(shè)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取。像控點(diǎn)的布設(shè)方面，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)需注意，像控點(diǎn)的位置要在影像上清晰可見(jiàn)，不能存在遮擋或者模糊的情況，盡可能布設(shè)在影像重疊度高的位置。像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取方面，根據(jù)像控點(diǎn)的布設(shè)情況，利用GPS-RTK 對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行采集，采集時(shí)，注意拍攝像控點(diǎn)的點(diǎn)位照片，采集后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，整理像控點(diǎn)的文件成果和像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)成果[2]。

3.2 提出任務(wù)

相關(guān)人員提出無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪任務(wù)，明確測(cè)繪目標(biāo)，確定測(cè)繪區(qū)域地點(diǎn)、范圍、內(nèi)容等，而測(cè)繪人員則接受任務(wù)，依據(jù)相關(guān)要求、規(guī)范，構(gòu)建完善的測(cè)繪方案，制訂合理的測(cè)繪計(jì)劃，為無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的高效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.3 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)水平影響著無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪任務(wù)的完成水平、飛行安全等。在飛行作業(yè)前，有必要科學(xué)設(shè)計(jì)航線。航線設(shè)計(jì)的方法如下。

（1）基于目標(biāo)快速定位的航線設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)航線時(shí)，應(yīng)先了解飛行目標(biāo)，清楚飛行高度，再確定航線。這樣不僅可以保證飛行效率，而且可有效完成飛行任務(wù)。

（2）基于區(qū)域影像獲取的航線設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪任務(wù)包括測(cè)繪范圍，對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)講，其就需要完成區(qū)域范圍內(nèi)的測(cè)繪任務(wù)。航線設(shè)計(jì)是獲得可靠測(cè)繪數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，所以要注重基于區(qū)域影像獲取范圍、要求，設(shè)計(jì)航線。其中，需要計(jì)算航帶間距、飛行高度以及航帶數(shù)目、長(zhǎng)度等，以此提升航線設(shè)計(jì)水平。

（3）回收航線設(shè)計(jì)。傘降回收、阻攔回收是常應(yīng)用的無(wú)人機(jī)回收方法。在回收無(wú)人機(jī)中，要提前設(shè)計(jì)回收點(diǎn)，方便回收。為盡可能地保證回收安全，提高對(duì)回收問(wèn)題的處理水平，還需要設(shè)計(jì)應(yīng)急回收點(diǎn)[3]。一般而言，應(yīng)急回收點(diǎn)應(yīng)當(dāng)超過(guò)3 個(gè)。

3.4 申請(qǐng)空域

測(cè)繪人員在執(zhí)行無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪任務(wù)前，需要向空域管理部門(mén)申請(qǐng)空中作業(yè)飛行許可，以防止飛行作業(yè)中與其他航空器發(fā)生事故。申請(qǐng)通過(guò)后才能執(zhí)行任務(wù)，否則無(wú)法執(zhí)行任務(wù)。由此可見(jiàn)，空域申請(qǐng)也是執(zhí)行飛行任務(wù)中不可缺少的環(huán)節(jié)。空域申請(qǐng)對(duì)保障飛行安全具有重要意義。

3.5 飛行操作

飛行操作是無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程。要想提高飛行操作水平，就必須把握好飛行操作的關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）根據(jù)工程測(cè)繪規(guī)劃，確定調(diào)查區(qū)域的位置，了解調(diào)查區(qū)域的天氣情況。陽(yáng)光充足的晴朗或平靜的天氣適合飛行。如果天氣條件符合飛行運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，就可以飛行，否則就不能飛行。在飛行操作中不僅需要注意天氣情況，還需要控制飛行時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，上午10：00至下午14：00 是比較適合飛行的時(shí)間。

（2）組裝無(wú)人機(jī)，確保安全穩(wěn)定飛行；調(diào)試地面系統(tǒng)，方便測(cè)繪任務(wù)的執(zhí)行；將無(wú)人機(jī)與地面系統(tǒng)連接起來(lái)，發(fā)揮地面系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的監(jiān)控作用。

（3）設(shè)定地面系統(tǒng)攝像參數(shù)、路線等，為順利完成測(cè)繪任務(wù)提供可靠保障。

（4）操作地面系統(tǒng)，完成無(wú)人機(jī)起飛方式、航路飛行、圖像數(shù)據(jù)采集等控制。一旦獲取了圖像數(shù)據(jù)，就需要將其傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。

3.6 低空作業(yè)的信息采集

在工程測(cè)量中應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的時(shí)候，無(wú)人機(jī)的飛行高度受諸多因素的影響，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度也會(huì)因?yàn)榈匦翁攸c(diǎn)、溫度、濕度等因素而有所差異。例如，工程測(cè)量區(qū)域位于一些高海拔地區(qū)的時(shí)候，云層覆蓋會(huì)導(dǎo)致空間可見(jiàn)度較低，難以保障拍攝圖像的精確度。基于此，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)低空作業(yè)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，基于實(shí)際情況控制好無(wú)人機(jī)飛行速度，設(shè)置適宜的無(wú)人機(jī)飛行路線，并實(shí)施監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的飛信狀態(tài)，以有效規(guī)避飛行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。在應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的時(shí)候，需要重視信息采集環(huán)節(jié)，需根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)制定適相應(yīng)的測(cè)量方案。常見(jiàn)的信息采集過(guò)程有兩種，一種是自動(dòng)加密，另一種則是手動(dòng)采集。自動(dòng)加密是在無(wú)人機(jī)內(nèi)部設(shè)置控制系統(tǒng)，以該系統(tǒng)來(lái)智能識(shí)別、采集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息，具有較高的自動(dòng)化水平，有利于保障采集數(shù)據(jù)的安全性；而人工采集則是在無(wú)人機(jī)測(cè)繪過(guò)程中，由技術(shù)人員遠(yuǎn)程操控計(jì)算終端，根據(jù)測(cè)繪項(xiàng)目要起來(lái)確定無(wú)人機(jī)的測(cè)繪內(nèi)容，通過(guò)圖像拍攝來(lái)手動(dòng)采集數(shù)據(jù)信息，保障所采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。就目前而言，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用仍然受到一定的限制，需要在應(yīng)用前做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，預(yù)估測(cè)繪作業(yè)時(shí)間，以免無(wú)人機(jī)沒(méi)電，同時(shí)還要合理設(shè)計(jì)測(cè)繪區(qū)域、路線，進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)質(zhì)量，加快信息采集速度。

3.7 智能變化監(jiān)測(cè)

智能監(jiān)測(cè)使用的是DeltaCue 工具，它是遙感軟件ERDAS 的一個(gè)功能擴(kuò)展模塊，用于大范圍影像變化的分析，協(xié)助用戶識(shí)別遙感影像中的變化圖斑。它提供了一系列的法則等處理方法，是基于工作流的方式對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)處理、變化檢測(cè)、變化過(guò)濾、變化結(jié)果查看以及解譯。在影像配準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，對(duì)不同時(shí)相的影像做定量分析，并在這個(gè)基礎(chǔ)上顯示出變化的情況。對(duì)影像差異進(jìn)行差分運(yùn)算，測(cè)算出影像有變化的部分，從而判別變化量是不是達(dá)到閾值[4]。DeltaCue 的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在于發(fā)現(xiàn)感興趣的變化。首先，它會(huì)嘗試去辨別顯著的變化圖斑，然后幫助用戶識(shí)別感興趣的變化圖斑。變化檢測(cè)算法類(lèi)型的選取需適應(yīng)于變化檢測(cè)的感興趣區(qū)域，不同算法的重點(diǎn)可以根據(jù)植被變化、土地變化，尤其是主色調(diào)的變化來(lái)選取或?qū)⑵鋵?duì)應(yīng)的像素高亮顯示。例如，一條新的路或者市政物被考慮為顯著變化，盡管它可能并非用戶所感興趣的。不明顯的變化取決于傳感器的噪聲、大氣或者配準(zhǔn)不良，則不在考慮范疇之內(nèi)。其次，軟件通過(guò)選擇過(guò)濾器和設(shè)置過(guò)濾參數(shù)允許用戶去掉這些不明顯的變化圖斑，利用域值設(shè)定可以達(dá)到這一目的。小域值用于去除小圖斑（傳感器的噪聲），大的域值適合于大區(qū)域的、很明顯的變化圖斑（由云區(qū)引起的）。不精確配準(zhǔn)濾波用來(lái)去除因配準(zhǔn)不良引起的明顯變化。一旦已經(jīng)界定了變化輸出，輸出的結(jié)果就被認(rèn)定為顯著變化。

4 無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在市政測(cè)繪工程中的應(yīng)用

4.1 在城市地形測(cè)繪中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)在大比例城市地形圖測(cè)繪的應(yīng)用中有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與積極的應(yīng)用前景，諸多城市已利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪得到了城市一定范圍內(nèi)符合規(guī)范的地形圖。2010 年，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)由國(guó)家測(cè)繪局普及推廣，隨后多個(gè)部委先后啟動(dòng)無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)應(yīng)用，無(wú)人機(jī)航攝應(yīng)用逐漸鋪開(kāi)，實(shí)際應(yīng)用也逐漸增多。我國(guó)多個(gè)省市規(guī)劃部門(mén)采購(gòu)無(wú)人機(jī)用于城市規(guī)劃測(cè)量技術(shù)應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)提高了地形圖測(cè)繪的現(xiàn)代化水平，其優(yōu)勢(shì)在于影像數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)獲取效率、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益較高。

4.2 無(wú)人機(jī)在數(shù)字孿生中的應(yīng)用

數(shù)字孿生城市的建設(shè)，離不開(kāi)無(wú)人機(jī)等新技術(shù)的應(yīng)用。在市政與城市規(guī)劃領(lǐng)域，數(shù)字孿生是指一幢市政或者城市的物理實(shí)體的三維模型，并且由真實(shí)實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)3D 模型的動(dòng)畫(huà)。數(shù)字孿生技術(shù)包括三維激光掃描、攝影測(cè)量與遙感技術(shù)、BIM、基于位置的服務(wù)（LBS）等。無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)可以搭載三維激光掃描設(shè)備、攝影測(cè)量設(shè)備與遙感設(shè)備，進(jìn)行城市空間數(shù)據(jù)的測(cè)量與獲取，從而為城市數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)與模型信息[5]。隨后，基于BIM、3D-GIS 技術(shù)等為城市構(gòu)建城市三維信息模型，為城市各市政物或結(jié)構(gòu)物、自然資源等賦予數(shù)字化屬性，從而對(duì)城市的真實(shí)地形、地上地下景觀進(jìn)行數(shù)字化三維模擬，打造與城市一致的虛擬城市環(huán)境。目前，我國(guó)的深圳市、雄安新區(qū)，都已經(jīng)開(kāi)始在“智慧城市+數(shù)字孿生”等方面摸索和嘗試。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為一種高新技術(shù)，在測(cè)繪工程中發(fā)揮了積極作用。其成本低、易操作、測(cè)量范圍廣、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、圖像清晰、不受地形限制等特點(diǎn)科學(xué)有效地提升了測(cè)量工作的技術(shù)水平，為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。