無人機與GIS技術(shù)在數(shù)字地形圖測繪中的協(xié)同應(yīng)用研究

摘 要：【目的】探究以無人機與GIS作為現(xiàn)代測量技術(shù)在實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)高效精確的應(yīng)用?！痉椒ā恳愿拭C省某鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路改擴建工程為例，基于無人機技術(shù)獲取道路原始的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，應(yīng)用GIS技術(shù)進行分析?！窘Y(jié)果】獲取了既有道路數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、三維模型等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；通過GIS技術(shù)生成了數(shù)字高程模型（DEM），繪制了道路大比例尺數(shù)字地形圖，并進行道路設(shè)計優(yōu)化?！窘Y(jié)論】無人機與GIS技術(shù)協(xié)同應(yīng)用能為道路改擴建工程設(shè)計優(yōu)化、施工管理和環(huán)境評估等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料支撐。

關(guān)鍵詞：無人機；地理信息系統(tǒng)；道路工程

中圖分類號：P231；U412 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2025）06-0111-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.06.021

Collaborative Application of UAV and GIS Technology in Digital

Topographic Mapping

ZHAGN "Bin

（Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration Institute of Surveying and Mapping， Lanzhou 730060， China）

Abstract：[Purposes] To explore the application of UAV and GIS as modern measurement technology to realize efficient and accurate analysis of geospatial data. [Methods] This paper takes a township road reconstruction and expansion project in Gansu Province as an example， obtains the original basic geographic data of the road based on UAV technology， and applies GIS technology for application analysis. [Findings] The existing basic geographic data such as road digital orthophoto （DOM）， digital surface model （DSM） and 3D model were obtained. The digital elevation model （DEM） is generated by GIS technology， and the large scale digital topographic map of the study area is drawn， And carry on the road design optimization. [Conclusions] The collaborative application of UAV and GIS technology provides basic data support for the design optimization， construction management and environmental assessment of road reconstruction and expansion projects.

Keywords： UAV; GIS; road engineering

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）是一種新型航空飛行器。一套完整的無人機系統(tǒng)主要由機體、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等多個關(guān)鍵組件構(gòu)成，以保證無人機能夠穩(wěn)定、高效地執(zhí)行各種任務(wù)，獲取高精度、高分辨率的地理信息，從而滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求［1-2］。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System， GIS）是將地理信息數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、制圖和應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)。在地理信息數(shù)據(jù)可視化、檢索更新、空間分析和決策制定方面發(fā)揮著重要作用［3-4］。無人機與GIS技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用為各個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、計算、分析和決策帶來了新的發(fā)展契機，將兩者融合應(yīng)用不僅能夠提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的效率和可靠性，還能增強了數(shù)據(jù)應(yīng)用的深度與廣度，在綠色礦山、農(nóng)業(yè)管理和應(yīng)急救援等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。黃立鑫等［5］在尾礦庫健康監(jiān)測中應(yīng)用無人機和GIS技術(shù)獲取了基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)，通過計算洪水淹沒區(qū)域和庫容量分析了尾礦庫目前運行的現(xiàn)狀。龔曉嵐等［6］依托GIS技術(shù)設(shè)計了植保無人機監(jiān)控管理云平臺，滿足了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理數(shù)字化、可視化的應(yīng)用需求。趙振宇等［7］通過構(gòu)建無人機實時監(jiān)測的地理信息模型，探討了GIS與無人機輔助技術(shù)在工業(yè)事故應(yīng)急救援中的協(xié)同應(yīng)用。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路改擴建可以提升交通效率，促進經(jīng)濟發(fā)展，改善居民出行條件，增強地區(qū)連通性和物流便利性，帶動周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措［8-9］。本研究以甘肅省某鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路改擴建工程為例，首先通過無人機技術(shù)獲取既有道路基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；其次運用GIS技術(shù)進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用分析。本研究提出的解決性方案能夠為道路改擴建工程提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 無人機影像數(shù)據(jù)獲取

1.1 航飛設(shè)備選型

道路改擴建工程中原始地形地貌數(shù)據(jù)的獲取是至關(guān)重要的，可為后期設(shè)計、施工提供基礎(chǔ)資料。本項目中既有道路的無人機影像數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇大疆精靈Phantom 4 Pro，該機型配備多方位視覺定位及障礙物感知系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)指點飛行與智能跟隨等功能，采用領(lǐng)先的飛控系統(tǒng)，通過雙冗余IMU、指南針系統(tǒng)與智能電機驅(qū)動器，提高了敏捷、穩(wěn)定、安全的飛行性能。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 "航線規(guī)劃設(shè)計

在無人機攝影測量中，航線規(guī)劃是保證數(shù)據(jù)采集效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本次飛行任務(wù)在進行航線規(guī)劃時，首先依據(jù)規(guī)劃文件對既有道路區(qū)域進行分析，確定需要覆蓋的地理范圍和相關(guān)要素；其次根據(jù)大比例尺地形圖測繪應(yīng)用的需求，確定飛行高度、航向重疊、旁向重疊和分辨率等參數(shù)要求。無人機飛行航線的詳細設(shè)置參數(shù)見表2。

1.3 影像質(zhì)量檢查

本次飛行任務(wù)通過了5條航線總共獲取影像1 187幅，經(jīng)過內(nèi)業(yè)影像飛行質(zhì)量逐一檢查，剔除存在曝光過度、影像重影、幾何形變等效果不佳的影像后獲得原始無人機影像共1 176幅，既有道路的部分影像如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)處理與成果生成

無人機影像數(shù)據(jù)處理硬件采用Intel（R） Core（TM） i7-12700KF CPU @ 5.0GHz，10內(nèi)核12線程；軟件采用Pix4D mapper無人機影像后處理軟件，通過攝影測量算法可將無人機影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、三維模型等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)?；赑ix4D mapper軟件的影像數(shù)據(jù)處理主要包括5個步驟，依次為：新建工程項目、影像數(shù)據(jù)輸入、屬性參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)計算處理、成果報告輸出。其中，屬性參數(shù)設(shè)置中基準面選擇為World Geodetic System 1984；處理模板選擇3D Maps，包含初始化處理、點云和紋理處理、DSM/DOM和指數(shù)。通過Pix4D mapper軟件對無人機影像進行處理，獲取既有道路的DOM和DSM數(shù)據(jù)，然后使用GIS軟件制作專題地圖，結(jié)果如圖2所示。

3 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

3.1 數(shù)字地圖繪制

在既有道路改造工程中，數(shù)字地形圖能夠詳細精確地表示各類地物地形數(shù)據(jù)，為設(shè)計優(yōu)化、施工管理和環(huán)境評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，在道路改造工程應(yīng)用中具有重要意義?；跓o人機與GIS技術(shù)可以快速高效地獲取既有道路的數(shù)字地形圖，通過無人機進行影像數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到DSM與DOM數(shù)據(jù)，在GIS軟件中根據(jù)DSM、DOM和點云數(shù)據(jù)去除非地面特征生成數(shù)字高程模型（DEM），進一步生成數(shù)字地形圖。本研究選取了既有道路改造工程中比較重要的房屋、植被和道路等3種地物進行數(shù)字地形圖繪制展示，結(jié)果如圖3所示。其中圖3（a）至圖3（c）依次為房屋、植被和道路無人機影像數(shù)據(jù)；圖3（d）至（f）依次為房屋、植被和道路數(shù)字地形數(shù)據(jù)。

3.2 道路設(shè)計優(yōu)化

數(shù)字地圖能夠提供地形地貌、土地使用等豐富的地理信息數(shù)據(jù)，道路設(shè)計中依托數(shù)字地圖可以進行路徑分析，評估不同路線的可行性，優(yōu)化道路的布局，減少建設(shè)成本和環(huán)境影響。本研究基于前文中的數(shù)字地形圖進行道路優(yōu)化設(shè)計，線路總長度為3 003.166 m，共設(shè)有6處道路交叉口、1處2 m×1.2 m鋼筋混凝土蓋板涵，布設(shè)擋土墻長度313.422 m，其主要設(shè)計參數(shù)見表3。

4 結(jié)論

本研究依托既有道路改擴建工程實例開展無人機與GIS技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用研究，從航飛設(shè)備選型、航線規(guī)劃設(shè)計和影像質(zhì)量檢查等3方面說明了無人機影像數(shù)據(jù)獲取的方法與步驟；通過Pix4D mapper軟件對無人機影像進行處理，使用GIS軟件制作了既有道路的DOM和DSM數(shù)據(jù)專題地圖；以此為基礎(chǔ)對房屋、植被和道路三種地物進行了數(shù)字地形圖繪制，并進行了道路設(shè)計優(yōu)化。

本研究實例表明，無人機與GIS技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用突破了傳統(tǒng)測繪方法的局限性，減少了人力物力資源投入，降低了現(xiàn)場環(huán)境和人為因素對測繪成果的影響，極大地提升了數(shù)據(jù)成果的準確性和適應(yīng)性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，無人機與GIS技術(shù)將在更多領(lǐng)域開展創(chuàng)新協(xié)同應(yīng)用，助推現(xiàn)代測繪技術(shù)面向智能化、自動化和高效化發(fā)展。

參考文獻：

［1］譚金石，祖為國，劉波，等.無人機激光雷達應(yīng)用于線路勘測的適用性研究［J］.應(yīng)用激光，2024，44（3）：150-161.

［2］黃立鑫，蘇建龍，李小軍，等.無人機實時攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究與展望［J］.有色金屬（礦山部分），2024，76（3）：1-6.

［3］閭國年，袁林旺，陳旻，等.地理信息學(xué)科發(fā)展的思考［J］.地球信息科學(xué)學(xué)報，2024，26（4）：767-778.

［4］喬彥友，常原飛.移動地理信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的3個時代［J］.遙感學(xué)報，2022，26（12）：2399-2410.

［5］黃立鑫，李旺平，凌晴，等.無人機在尾礦庫健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.有色金屬（礦山部分），2022，74（1）：125-129.

［6］龔曉嵐，巨凱鋒.基于地理信息系統(tǒng)的植保無人機作業(yè)管理云平臺研究［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（9）：141-144.

［7］趙振宇，余泳杰.GIS與無人機輔助技術(shù)在工業(yè)事故中的應(yīng)用［J］.中國應(yīng)急救援，2021（6）：45-48.

［8］翁丹.加強農(nóng)村道路建設(shè)促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展［J］.現(xiàn)代農(nóng)村科技，2024（3）：132-133.

［9］蒙金.鄉(xiāng)村振興背景下農(nóng)村交通發(fā)展研究［J］.四川農(nóng)業(yè)科技，2023（6）：74-76.