無人機航測技術(shù)在工程測量的應(yīng)用

周文

（中鐵十二局集團(tuán)國際工程有限公司，天津 300308）

近年來，無人機市場快速發(fā)展。2015—2020年，我國民用無人機市場整體規(guī)模從24億元增長到361億元，年復(fù)合增長率為72%。按照用途劃分，主要分為軍用和民用，其中，民用無人機細(xì)化為工業(yè)級無人機與消費級無人機。消費級無人機市場的快速爆發(fā)，促使無人機的影響力不斷提高。目前，民用無人機的應(yīng)用范圍包括勘探、城市、水利監(jiān)測以及物流等領(lǐng)域，發(fā)揮著重要的作用。采用無人機航測技術(shù)，為國土資源開發(fā)利用和保護(hù)、工程建設(shè)管理等提供支持，可獲得積極的效益，助力管理工作的高效化開展和落實。

1 無人機航測技術(shù)的應(yīng)用特點

無人機航測技術(shù)的應(yīng)用，主要是采用電子計算機，運用攝影相片量測與解析計算方法的交會，分析被攝物體的形狀和大小及位置，研究相互關(guān)系，并且生成測量數(shù)據(jù)。自從無人機航測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，徹底顛覆傳統(tǒng)測量，克服了只能實現(xiàn)對監(jiān)測點垂直檢測的問題。實際應(yīng)用中不需要接觸到物體本身，便能夠獲得相關(guān)信息，構(gòu)建三維立體模型，并且提取物體的幾何和物理特性，滿足測量作業(yè)的需求。對于測量環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，例如道路設(shè)施不完善或者山溝等，采用傳統(tǒng)技術(shù)無法進(jìn)行作業(yè)的，采用無人機航測技術(shù)手段，能夠高效完成測量作業(yè)，并且可以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采取的無人機航測技術(shù)，具有以下特點：①外業(yè)工作量小且生產(chǎn)效率高。傳統(tǒng)的測量作業(yè)，需配置大量的人力資源，但測量范圍依舊有限，使用無人機航測技術(shù)，能夠妥善解決傳統(tǒng)測量問題，1臺無人機相當(dāng)于10～20個人的工作效率。除此之外，有效減少野外作業(yè)的時間，轉(zhuǎn)變了外業(yè)作業(yè)的模式。一方面，可提高無人機航測的效率，另一方面，能夠保證數(shù)據(jù)信息的采集和整理的效率，保障測量結(jié)果的真實性和完整性。②內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)三維模型采集具有直觀性，方便進(jìn)行判讀。基于無人機航測采集的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過內(nèi)業(yè)解算后制作為三維地形模型，并且通過模型上采集點，使得測區(qū)的情況可以清晰地呈現(xiàn)，并且可以自動化過濾點的疏密性。③數(shù)據(jù)精度高且精度比較均勻。采用無人機航測技術(shù)，合理控制外業(yè)航飛高度以及重疊度，優(yōu)化地面控制點的設(shè)計，借助軟件平差處理，能夠?qū)崿F(xiàn)測繪區(qū)點的空三平差，因此獲得的數(shù)據(jù)點精度可以達(dá)到工程測量的要求，精度相對均勻。④作業(yè)靈活，測量成本不高。工程測量作業(yè)既需要保障測量的效率和精度，也要控制測量的成本。采用無人機航測技術(shù)手段，不僅作業(yè)靈活，而且作業(yè)成本比較低，獲得的數(shù)據(jù)信息質(zhì)量很高，能夠滿足實際需求。

2 無人機航測技術(shù)在工程測量的應(yīng)用實例分析

2.1 案例概述

以某工程項目為例，工程測區(qū)的山地特征比較明顯，區(qū)域內(nèi)分布了大量的樹林，高差達(dá)到120m，中間被河流分割，人員分布很少，基礎(chǔ)設(shè)施不完善，增加了測量作業(yè)的難度。與此同時，工程時間緊張，留給前期測量的時間不多。從工程測量實踐分析，為保障測量工作高質(zhì)量開展和落實，采用了無人機航測技術(shù)手段，完成2km2的測區(qū)測量作業(yè)，繪制了1∶1000地形圖。測量作業(yè)中按照技術(shù)設(shè)計和要求開展，保障地形圖的精度達(dá)到要求?，F(xiàn)結(jié)合具體實踐，進(jìn)行全面分析。

2.2 測繪資源的準(zhǔn)備

本次工程測量作業(yè)，使用的是大疆DJI經(jīng)緯M600Pro多旋翼無人機，輔助無人機航測工作的開展，可以適應(yīng)地勢起伏大和盆地測量作業(yè)，操作比較靈活方便，對起降場地的要求不高。為實現(xiàn)高效化測量，搭載了HS-300低空激光掃描測圖系統(tǒng)，配置的激光雷達(dá)為RIEGLminiVUX-1UAV。無人機航測作業(yè)選擇具有操作能力和豐富經(jīng)驗的人員，輔助工程測量作業(yè)的開展。

2.3 設(shè)計的航測方案

數(shù)據(jù)采集。無人機航測作業(yè)開展前，需要按照民用無人機使用規(guī)范和要求，向所屬空域管轄部門提交申請獲得審批后進(jìn)行，并且收集測繪區(qū)的氣象資料和現(xiàn)有的測量成果。組織現(xiàn)場踏勘作業(yè)，明確起飛點，使用航跡線路規(guī)劃軟件，開展航線設(shè)計，并且明確航攝分區(qū)。組織開展外業(yè)作業(yè)，地面基站需要在啟動機載LiDAR設(shè)備航攝作業(yè)前30min開展數(shù)據(jù)采集，按照技術(shù)方案將數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1s，完成航攝作業(yè)后30min關(guān)閉接收機，整個過程不可以因為斷電或其他原因造成數(shù)據(jù)中斷。航測作業(yè)搭載的LiDAR設(shè)備需要在起飛前及降落后，開展大約5min的靜態(tài)觀測，保障數(shù)據(jù)信息完整記錄。完成數(shù)據(jù)信息的采集作業(yè)后，及時組織開展數(shù)據(jù)預(yù)處理，做好數(shù)據(jù)采集范圍的檢查，分析是否按照無人機航測設(shè)計開展，排查出現(xiàn)漏測的情況，做好航線之間和航攝區(qū)間匹配度的檢查，保障無人機航測作業(yè)的質(zhì)量目標(biāo)實現(xiàn)。圖1為數(shù)據(jù)采集的技術(shù)路線。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理?；诒Ｕ蠝y量結(jié)果真實性的目的，需要做好內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理。一方面，保證航攝數(shù)據(jù)沒有遺漏，另一方面，保證點云精度達(dá)到要求。對于采集的數(shù)據(jù)信息，使用TerroSilid軟件，開展點云數(shù)據(jù)處理，開展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和點云濾波等處理，保證處理的質(zhì)量，再開展后續(xù)工作。采用地面點制作高程注記錄點、等高線以及DEM，保障測繪結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)處理方面，完成DOM和分類處理后，獲得點云數(shù)據(jù)，再采集地物要素，之后將地物地貌和外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)的合并處理，制作數(shù)字線劃圖。無人機航測作業(yè)中，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理技術(shù)路線如圖2所示。

2.4 航測成果的質(zhì)量分析

工程測量測繪作業(yè)中組織開展無人機航測，將飛行高度參數(shù)設(shè)置為200m，速度設(shè)置為9m/s，視場角設(shè)置為180°，單條航線幅寬設(shè)置為600m。按照工程測量設(shè)計方案，組織開展5個架次飛行，完成數(shù)據(jù)信息的采集，采集了5km2的點云數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)采集分析，統(tǒng)計點云密度，統(tǒng)計結(jié)果為40點/m2，可以達(dá)到技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，符合1：1000點云密度的要求。本次工程測量測繪作業(yè)的開展，嚴(yán)格按照無人機航測技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制航測實施過程，規(guī)范處理點云數(shù)據(jù)以及航攝影像等，保證測量結(jié)果的質(zhì)量達(dá)到要求。對采集的數(shù)據(jù)信息，做好全面細(xì)致檢查，并且對檢核點做好精度評定，根據(jù)兩級檢查規(guī)定完成內(nèi)外業(yè)檢查，切實保障無人機航測結(jié)果的真實性。

點云精度。按照無人機航測技術(shù)應(yīng)用管理要求，對點云的高程精度開展分析，通過對數(shù)據(jù)信息的分類，實際測量對應(yīng)高程點，開展對比與誤差統(tǒng)計分析。對于外業(yè)高程檢查點，主要采集地類數(shù)據(jù)，例如草地和灌木林等相關(guān)信息，將采集點布置到測量區(qū)的各個位置，切實保障測區(qū)情況被全面反映，保障測量測繪結(jié)果的質(zhì)量。在測繪區(qū)采集523個檢核點，按照質(zhì)量檢驗檢測的要求，展開對比分析，獲得檢查結(jié)果。本次檢查發(fā)現(xiàn)了3個點出現(xiàn)了高程差＞1.5m，通過數(shù)據(jù)分析了解到問題點處于高程突變位置，同時周圍覆蓋了很多茂密的植被，點云數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，采取的處理方案是作為粗差點剔除。除此之外，剩余的520個檢核點進(jìn)行精度分析，獲得精度分析結(jié)果，結(jié)果如下：①最大值為0.897m。②最小值為-0.973m。③誤差均值為-0.05。④中誤差為0.143m。按照技術(shù)要求，采集的點云數(shù)據(jù)高程中誤差要達(dá)到±0.50的精度要求；93.3%的點誤差集中在±0.4m內(nèi)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果得知，點云數(shù)據(jù)質(zhì)量可以達(dá)到技術(shù)規(guī)范和要求。

地形圖精度分析。無人機航測技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量控制，還需要做好地形圖精度的分析。本次測量作業(yè)的開展，所處的測繪區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，精度分析中外業(yè)部分采集的特征檢查點總計15個，包括房屋角點和大壩特征點等，開展數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行地形圖精度的分析，獲得的位置精度結(jié)果如下：①比例尺大小為1∶1000。②中誤差結(jié)果為0.305m。繪制的地形圖高程精度，除了圖幅高程注記點外，還包括圖幅等高線精度，具體分析時參照點云高程精度開展統(tǒng)計與分析，獲得分析的結(jié)果。綜合分析，地形圖的平面精度可以達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

DEM精度分析。工程測量實踐中采集的數(shù)據(jù)信息，完成處理后要進(jìn)行DEM精度分析，獲得高質(zhì)量點云數(shù)據(jù)。本次外業(yè)設(shè)置了510個地面檢核點，采集高程數(shù)據(jù)和DEM高程開展對比分析，獲得了統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)果如下：①最大值為1.154m。②最小值為-0.989m。③誤差均值為0.06。④中誤差為0.163m。根據(jù)分析的結(jié)果判斷，可以達(dá)到技術(shù)操作的要求，即高程中誤差±0.70m的精度要求，91.7%的點誤差集中在±0.4m范圍內(nèi)。

3 無人機航測技術(shù)在工程測量的應(yīng)用策略

3.1 設(shè)計科學(xué)合理的技術(shù)方案

無人機航測技術(shù)的應(yīng)用價值實現(xiàn)，需保障技術(shù)的應(yīng)用效果。根據(jù)工程測量任務(wù)的特點和實際情況，制訂科學(xué)合理的技術(shù)方案，指導(dǎo)各項工作的開展和落實，達(dá)到高效化測量的要求。這需要事前做好全面分析，組織開展測區(qū)的情況分析，搜集完整的數(shù)據(jù)信息，為航測技術(shù)方案的編制提供支持。根據(jù)測繪的大小和比例尺大小等，確定航測的路線和設(shè)備配置方案，形成科學(xué)合理的航測方案，指導(dǎo)作業(yè)高效化開展和落實，采集高質(zhì)量的外業(yè)數(shù)據(jù)信息。工程測量作業(yè)開展前，認(rèn)真研究無人機航測技術(shù)方案的內(nèi)容和特點，掌握測繪技術(shù)的要點和方法，交代給測繪人員，讓其可以掌握無人機航測技術(shù)的流程和控制措施，實現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用價值，切實保障測繪結(jié)果的完整性和準(zhǔn)確性，指導(dǎo)各項工作高效化開展。需要注意的是，無人機航測技術(shù)的合理應(yīng)用，做好事前的各項工作，包括區(qū)域劃分和航線圖設(shè)計等，有重要的意義。設(shè)計的航線圖，必須標(biāo)注清楚飛行高度、航向、航線數(shù)量，指導(dǎo)作業(yè)高效地開展和落實。為實現(xiàn)對測區(qū)的全面覆蓋，必須做好控制點的布置，提高航測的精度。這需要注重測區(qū)的特征分析，保障控制點與基線的布置科學(xué)合理。通過有效把控事前的策劃質(zhì)量，高質(zhì)量推進(jìn)測繪工作。

3.2 強化航測技術(shù)要點控制

采用DOM工藝技術(shù)。從測量測繪實踐分析，為保障地形圖繪制結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，需要做好相片與數(shù)據(jù)的處理，通過二次加工和裁剪采集，保障數(shù)據(jù)信息的質(zhì)量。按照DOM技術(shù)應(yīng)用要求，進(jìn)行圖像信息的分析，獲得可利用的信息。除此之外，結(jié)合實際需求融合圖像信息數(shù)據(jù)，依據(jù)測量數(shù)據(jù)分析測區(qū)的地形，高效處理數(shù)據(jù)信息[1-2]。

采用三角測量技術(shù)。無人機航測技術(shù)的應(yīng)用，輔助測繪測量作業(yè)的開展，必須嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范和要求，做好細(xì)節(jié)和要點控制，采集完成的數(shù)據(jù)信息，形成高質(zhì)量的地形圖，為后續(xù)設(shè)計和建設(shè)工作的開展提供支持。測繪作業(yè)的開展，需按照設(shè)計的航線完成野外作業(yè)，再開展空中三角測量。若采用空中三角測量技術(shù)，則要做好具體操作的控制，借助空中加密技術(shù)，對測區(qū)空地位置進(jìn)行加密處理，保障攝像的專一性。按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和需求，嚴(yán)格控制加密的距離，有效處理特殊地形，實現(xiàn)高度差的有效控制，防范質(zhì)量問題的產(chǎn)生。一般來說，平臺區(qū)域也可進(jìn)行空中三角加密處理，運用空中三角測量方法，達(dá)到邊緣位置的優(yōu)化規(guī)劃。測量測繪作業(yè)中采用空中三角測量方法，做好空中加密點的設(shè)置和控制，若遇到測量問題，技術(shù)操作人員通過調(diào)整像素數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對分析結(jié)果的優(yōu)化。需要注意的是，采用空中三角測量技術(shù)，必須結(jié)合實際情況和技術(shù)規(guī)范，制定完善的測量方案，并且做好事前的技術(shù)準(zhǔn)備工作，優(yōu)化測量方案。在測量前期準(zhǔn)備工作環(huán)節(jié)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，將影像調(diào)整為JPG格式，并且做好相機焦距的調(diào)整，優(yōu)化測量路線。工作人員則要從實際需求出發(fā)，借助專業(yè)處理軟件進(jìn)行處理，保障數(shù)據(jù)信息處理的有效性和準(zhǔn)確性，合理設(shè)定參數(shù)，實現(xiàn)自動定向效果，合理去除多余像點，同時能夠相互交錯編輯連接點。完成測量作業(yè)后，及時錄入經(jīng)過處理達(dá)到要求的圖片與數(shù)據(jù)，優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置，做好數(shù)據(jù)的分析，為后續(xù)使用提供支持[3-4]。

聯(lián)測相片控制點。從無人機航測技術(shù)的應(yīng)用角度分析，必須做好全過程的質(zhì)量控制。通過聯(lián)測相片控制點，科學(xué)合理加密控制點，結(jié)合實際情況確定控制點，保障測量測繪作業(yè)的質(zhì)量目標(biāo)得以實現(xiàn)。一般來說，相片控制點影響到攝影成像的準(zhǔn)確性，實際測量測繪作業(yè)的開展，必須嚴(yán)格控制控制點的數(shù)量與位置。作為技術(shù)人員，則要嚴(yán)格控制基準(zhǔn)，結(jié)合測繪比例精準(zhǔn)預(yù)估基準(zhǔn)控制點，并且按照國家基礎(chǔ)控制點要求，確定具體的平面控制點，實際操作時可借助GPS輔助計算，在水平與垂直交叉點建立控制基準(zhǔn)，再使用RTK技術(shù)測量相片控制點，切實保障測量測繪的質(zhì)量。整個過程需要做好嚴(yán)格控制，保障數(shù)據(jù)信息的質(zhì)量[5-6]。

3.4 聯(lián)合其他技術(shù)使用

目前來說，很多工程項目中都在積極推廣使用無人機航測技術(shù)，結(jié)合運用其他信息化手段，例如BIM技術(shù)，輔助工程測量和設(shè)計以及施工管理，獲得了不錯的成效。從實際應(yīng)用的角度分析，在測量測繪實踐中采用無人機航測技術(shù)，結(jié)合利用GPS技術(shù)以及GIS技術(shù)等，輔助作業(yè)的開展，采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息，能更好地開展相關(guān)工作，保障無人機航測技術(shù)的應(yīng)用價值實現(xiàn)。從實際應(yīng)用的角度分析，需要結(jié)合技術(shù)需求，合理推廣應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)，深度挖掘技術(shù)的應(yīng)用價值和優(yōu)勢，助力工程測量測繪作業(yè)的開展[7-8]。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機航測技術(shù)的應(yīng)用，能夠滿足工程測量作業(yè)的需求和要求，輔助測量作業(yè)高質(zhì)量開展和落實，具有推廣應(yīng)用的價值。從工程測量作業(yè)實踐中，為實現(xiàn)無人機航測的價值，需結(jié)合工程的實際情況制訂完善的技術(shù)方案，指導(dǎo)工程測量作業(yè)的開展，做好測量過程的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化控制，實現(xiàn)航測技術(shù)的應(yīng)用價值。