無人機(jī)航攝在工程測量測繪中的應(yīng)用

陳銀福

摘要：在現(xiàn)代工程建設(shè)領(lǐng)域高速發(fā)展的背景下，工程建設(shè)水平全面提升，各項(xiàng)施工技術(shù)得以創(chuàng)新。尤其是在測繪技術(shù)方面，多項(xiàng)新型測繪技術(shù)開始應(yīng)用，其中無人機(jī)航攝技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果。無人機(jī)航攝技術(shù)以無人機(jī)為載體，裝配有高清攝影設(shè)備，可以獲取更多的測量測繪信息，從而為工程建設(shè)提供支持，有效推動工程建設(shè)水平提升。因此，將對無人機(jī)航攝在工程測量測繪中的應(yīng)用方面進(jìn)行深入地研究與分析，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一些措施，希望可以對相關(guān)工程有所幫助。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航攝；工程測量；測繪技術(shù)；技術(shù)優(yōu)勢；具體應(yīng)用

一、前言

在現(xiàn)代工程測量領(lǐng)域中，對于測繪技術(shù)的要求不斷提高。傳統(tǒng)測量測繪技術(shù)效率較低，且測繪結(jié)果準(zhǔn)確性無法得到保障，已經(jīng)難以滿足工程測繪需求，所以需要加強(qiáng)對傳統(tǒng)測繪技術(shù)的創(chuàng)新，在此背景下無人機(jī)航攝技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)測繪技術(shù)而言，無人機(jī)航測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高空測量，所搭載的高清攝影設(shè)備可以獲取清晰的圖像，從而獲取更多工程需要的測繪信息，為工程建設(shè)方案設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于工程建設(shè)行業(yè)具有重要的意義。所以，如何掌握無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)是重中之重。

二、無人機(jī)航攝測量技術(shù)的基本概念

無人機(jī)航攝測量技術(shù)是指利用無人機(jī)進(jìn)行航空攝影，在攝影過程中掌握攝影器材的鏡頭焦距、畸變、相機(jī)姿態(tài)等信息，從而根據(jù)這些信息進(jìn)行空間重建，獲取精確的地理空間信息，從而達(dá)到航攝測量的目的。無人機(jī)航攝測量技術(shù)是現(xiàn)代測量技術(shù)的一種創(chuàng)新和發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。無人機(jī)航攝測量技術(shù)的基本原理是利用相機(jī)的幾何模型和數(shù)學(xué)模型，將空間物體的三維坐標(biāo)與其在數(shù)碼圖像或膠片上所對應(yīng)的像點(diǎn)之間建立幾何關(guān)系，進(jìn)而推算出物體在空間中的具體位置、形狀、大小等情況。無人機(jī)航攝測量技術(shù)的基本組成部分為飛行平臺、載荷、地面站和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中飛行平臺是由無人機(jī)飛行器、遙控器和電子設(shè)備等組成，其主要負(fù)責(zé)進(jìn)行攝影、采集數(shù)據(jù)。載荷是指航攝攝影機(jī)、GNSS等測量傳感器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)空中攝影和數(shù)據(jù)采集；地面站是指調(diào)度、控制和管理無人機(jī)的設(shè)備和操作人員，負(fù)責(zé)管理和調(diào)度飛行任務(wù)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是指將采集的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)進(jìn)行處理，得到所需的攝影測量數(shù)據(jù)和地理信息[1]。無人機(jī)航攝測量技術(shù)的基本流程是：預(yù)處理、航線規(guī)劃、飛行航跡控制、攝影測量、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品輸出等。預(yù)處理包括對地物信息的分析和預(yù)判；航線規(guī)劃是根據(jù)預(yù)處理結(jié)果規(guī)劃無人機(jī)航線；飛行航跡控制是指控制無人機(jī)在預(yù)規(guī)劃的航線上進(jìn)行飛行；攝影測量是指將無人機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理，得到地理空間信息；數(shù)據(jù)處理是指利用計算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出所需的相關(guān)測繪數(shù)據(jù)。

三、無人機(jī)航攝測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

將無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用在工程測繪中，具有多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢，能夠有效促進(jìn)測繪效率提升，其基本優(yōu)勢如表1所示。

根據(jù)表1相關(guān)內(nèi)容可以看出，無人機(jī)航攝測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用具有多項(xiàng)優(yōu)勢，其具體優(yōu)勢為：1.提升測量精度。通過地面測量和激光雷達(dá)等常規(guī)測量方法所獲取的數(shù)據(jù)，坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量相對較少，且精度也難以達(dá)到無人機(jī)航攝測量技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)精度。無人機(jī)航攝測量技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)精度高，重疊區(qū)域大，三維模型的生成效果更好，即使是細(xì)節(jié)部分也可以進(jìn)行測量和分析，無需再進(jìn)行復(fù)雜的場地勘測工作[2]。2.提升測量效率。傳統(tǒng)測量方法需要大量的人力、物力和時間的投入，在工期和人工成本上浪費(fèi)很大，尤其在大面積和高難度場地中，傳統(tǒng)測量方法的效率和安全性無法保證。而無人機(jī)航攝測量技術(shù)，通過自主飛行、高速拍照等方式達(dá)到快速測量的效果?？梢栽谳^短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對大面積復(fù)雜場地、建筑物以及細(xì)節(jié)部分的測量工作，提高了工作效率。3.降低測量成本。傳統(tǒng)測量方法往往需要較多的人力、物力投入，同時也有較高的出差費(fèi)用等不可控費(fèi)用，在這些方面的投入不僅增加了工期，降低了工作效率，更增加了項(xiàng)目成本。無人機(jī)航攝測量技術(shù)，可以最大限度減少人力和物力的投入，降低工程測量的成本[3]。4.靈活性較好。無人機(jī)航攝測量技術(shù)具有靈活性，可以根據(jù)需要快速調(diào)整航拍高度、拍攝時間和視角等參數(shù)來適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求進(jìn)行多維度的測量和分析，生成符合實(shí)際的三維模型、影像等數(shù)據(jù)，能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際地形、建筑物、交通情況等。5.適用范圍較廣。無人機(jī)航攝測量技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、道路、水利和資源環(huán)境等領(lǐng)域，可以滿足工程測繪領(lǐng)域內(nèi)各類測量需求。無人機(jī)航攝測量技術(shù)相較于其他測量方式，可擴(kuò)大測量范圍，提高測量效率，測量的結(jié)果更加準(zhǔn)確，可作為測量工程的首選技術(shù)之一。

四、無人機(jī)航攝在工程測量測繪中的具體應(yīng)用

基于上文的分析可以明確，無人機(jī)航攝是一項(xiàng)先進(jìn)的測繪技術(shù)，可以有效提升工程測繪效率與精度，且適合在多種不同工程測繪中應(yīng)用，基本不會受到環(huán)境條件的限制，還能夠降低測繪成本，提升工程經(jīng)濟(jì)效益，所以需要掌握無人機(jī)航攝技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，明確具體應(yīng)用方式，按照工程測繪的實(shí)際需求，采用科學(xué)的應(yīng)用方法，將其技術(shù)優(yōu)勢全面發(fā)揮。因此，本文結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下多項(xiàng)科學(xué)有效的無人機(jī)航攝技術(shù)具體應(yīng)用方式。

（一）無人機(jī)航攝的應(yīng)用設(shè)計

在采用無人機(jī)航攝技術(shù)進(jìn)行測量時，需要做好前期設(shè)計工作，為后續(xù)測量工作奠定基礎(chǔ)。無人機(jī)航攝測量技術(shù)是一種高精度、高效率的測量方式，其在不同項(xiàng)目中的應(yīng)用也有所不同。在進(jìn)行前期設(shè)計時，需要明確項(xiàng)目的實(shí)際需求，根據(jù)需求來確定測量參數(shù)。比如在對橋梁工程進(jìn)行測繪時，需要考慮橋梁的長度、寬度、高度等參數(shù)，同時還需要確定攝像機(jī)的安裝位置和拍攝角度，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在測繪工作開展前，需要結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際情況，制定科學(xué)的飛行計劃，飛行計劃需要考慮無人機(jī)的飛行高度、速度、路線和拍攝方式等因素，在進(jìn)行飛行計劃的制定時，需要充分考慮飛行區(qū)域的地形地貌和飛行環(huán)境的條件，以保證飛行的安全性和數(shù)據(jù)的可用性；攝像機(jī)是無人機(jī)航攝測量技術(shù)的核心部分，對測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度有著至關(guān)重要的影響。針對不同的項(xiàng)目需求，需要選擇合適的攝像機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的配置，比如對于要求更高精度的項(xiàng)目，可選擇更高像素的相機(jī)，并進(jìn)行更精細(xì)的配置，如調(diào)整曝光時間、光圈和白平衡等參數(shù)，以達(dá)到更高的測量精度；地面控制點(diǎn)是無人機(jī)航攝測量的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)置和布設(shè)的合理性直接影響測量數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，在進(jìn)行前期設(shè)計時，需要根據(jù)項(xiàng)目需求和地形地貌來確定控制點(diǎn)的數(shù)量和分布位置，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[4]。

（二）測量區(qū)域控制網(wǎng)的設(shè)置

控制網(wǎng)是指在實(shí)地測量中通過測量方法和聯(lián)合加密操作，獲取一組空間高精度坐標(biāo)的點(diǎn)集，并按照設(shè)定要求相互掛接、確定各點(diǎn)在空間中的位置關(guān)系的水平基準(zhǔn)框架，為綜合測量提供完整且統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠?yàn)闊o人機(jī)航攝提供高精度的坐標(biāo)基準(zhǔn)，保證后續(xù)數(shù)據(jù)的精度。首先，在控制點(diǎn)的選擇方面，控制點(diǎn)是控制網(wǎng)的核心，對其選擇的質(zhì)量和數(shù)量要求比較高，控制點(diǎn)需要根據(jù)無人機(jī)航攝的規(guī)劃和具體測區(qū)的特點(diǎn)，合理地選擇不同類型的控制點(diǎn)，通常包括經(jīng)緯儀控制點(diǎn)、高程控制點(diǎn)、植被控制點(diǎn)等控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并應(yīng)注意分布密度；其次，在控制網(wǎng)布設(shè)過程中，控制點(diǎn)之間的聯(lián)系通過具體測量方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在該過程中，需要盡可能地減少各種誤差，使每個控制點(diǎn)的精度能夠得到有效保障，且為方便后期處理，應(yīng)采用真正的無偏測量、確保各點(diǎn)之間的垂直精度與水平精度。在無人機(jī)航攝中，控制點(diǎn)與許多要素有關(guān)，如相機(jī)內(nèi)部的調(diào)整、地面或背景的遮擋等，需要考慮這些因素，合理安排控制點(diǎn)與測區(qū)的聯(lián)系，通常情況下對于測量區(qū)較小的控制點(diǎn)，可以適當(dāng)增加控制密度，以此來提高空間位置的精度；最后，在控制點(diǎn)的驗(yàn)證方面，在測量結(jié)束后，需要在控制點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，以檢查測量精度是否符合要求，如果控制點(diǎn)數(shù)據(jù)受到人為干擾，或者由于保持方式不當(dāng)、控制點(diǎn)資料缺失等原因?qū)е聰?shù)據(jù)精度受損，測量精度也將受到影響，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證時，需要做好準(zhǔn)備，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真等問題[5]。

（三）無人機(jī)航空飛行路線設(shè)計

首先，在項(xiàng)目前期準(zhǔn)備中，在設(shè)計無人機(jī)航空飛行路線之前，需要明確項(xiàng)目的測量目標(biāo)和要求。根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)和測量需求，確定無人機(jī)飛行的區(qū)域范圍、測量精度要求以及需要獲取的數(shù)據(jù)類型，包括數(shù)字高程模型、正射影像等。在飛行路線設(shè)計過程中，需要對項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的空中障礙物進(jìn)行分析和評估，通過獲取相關(guān)地理數(shù)據(jù)和航空圖像，識別并標(biāo)注出建筑物、樹木、電線桿等障礙物的位置和高度信息，以避免無人機(jī)飛行過程中的碰撞風(fēng)險；其次，在飛行路線設(shè)計中，根據(jù)測量區(qū)域的形狀和大小，設(shè)計合理的飛行航線，常用的飛行航線規(guī)劃方法包括正方形航線、螺旋狀航線、網(wǎng)格狀航線等，航線的設(shè)置應(yīng)盡量覆蓋整個測量區(qū)域，并考慮到航線之間的重疊度，以獲取更高的數(shù)據(jù)精度和完整性。根據(jù)測量需求和無人機(jī)的性能特點(diǎn)，確定適宜的飛行高度和速度，飛行高度的選擇應(yīng)考慮到地物特征和測量精度要求，充分捕捉細(xì)節(jié)信息，控制飛行速度可以保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和一致性。在飛行路線設(shè)計中，航拍間隔的設(shè)置直接影響獲取的圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量和后期處理的效果，根據(jù)測量精度要求和無人機(jī)的相機(jī)參數(shù)，合理設(shè)置航拍間隔，確保相鄰圖像之間有足夠的重疊度，以便進(jìn)行后續(xù)的圖像拼接和三維重建；最后，在無人機(jī)航空飛行路線設(shè)計中，必須保障飛行安全，在設(shè)計飛行航線時，需要綜合考慮飛行高度、障礙物位置、飛行限制區(qū)域等因素，確保飛行過程中的安全性，同時需遵守相關(guān)的航空法規(guī)和無人機(jī)飛行規(guī)范，保證飛行操作的合法性和規(guī)范性。飛行路線設(shè)計完成后，無人機(jī)可以按照預(yù)定的航線進(jìn)行自動飛行，采集測量區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。采集完成后，需要對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括圖像拼接、地物提取、數(shù)字模型生成等步驟，以獲取所需的測量結(jié)果和產(chǎn)品。

（四）測量區(qū)域場外控制點(diǎn)的設(shè)置與運(yùn)行

控制點(diǎn)是進(jìn)行無人機(jī)航攝測量的基礎(chǔ)性工作之一，而無人機(jī)航攝測量只有設(shè)置確定的控制點(diǎn)才能達(dá)到有效的測量效果?？刂泣c(diǎn)一般采用全站儀或GPS測量儀進(jìn)行設(shè)置，并通過后續(xù)的處理來獲得高精度的坐標(biāo)信息，在進(jìn)行場外控制點(diǎn)設(shè)置前，需要首先確定測量區(qū)域的范圍和關(guān)鍵地點(diǎn)，根據(jù)測量區(qū)域的實(shí)際情況，選擇合適的控制點(diǎn)布設(shè)策略，控制點(diǎn)數(shù)量必須達(dá)到要求，確保后續(xù)數(shù)據(jù)處理的可靠性和精度，同時控制點(diǎn)數(shù)量要控制在合理的范圍內(nèi)，防止增加測繪成本；控制點(diǎn)布設(shè)應(yīng)考慮到光影影響，避免光影對測量數(shù)據(jù)的影響，且控制點(diǎn)應(yīng)覆蓋整個測量區(qū)域，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的完整性。在進(jìn)行控制點(diǎn)設(shè)置后，需要對控制點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)行，并記錄控制點(diǎn)的位置信息和狀態(tài)信息，用于測量數(shù)據(jù)處理使用；控制點(diǎn)的運(yùn)行分為兩個部分，即控制點(diǎn)的檢查和控制點(diǎn)的記錄，控制點(diǎn)的檢查是指對控制點(diǎn)進(jìn)行定位和檢測，從而確保其位置的準(zhǔn)確性，同時還需要檢查控制點(diǎn)的狀態(tài)，確保能夠正常地工作；控制點(diǎn)的記錄是指跟蹤控制點(diǎn)的位置和狀態(tài)信息，保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精度和可靠性，控制點(diǎn)需要記錄的信息包括控制點(diǎn)編號和名稱、在地圖上的位置和經(jīng)緯度信息、狀態(tài)信息以及控制點(diǎn)的高度和相關(guān)參數(shù)信息，通過對控制點(diǎn)的科學(xué)設(shè)置與運(yùn)行調(diào)整，可以有效提升無人機(jī)航測測量精準(zhǔn)性[6]。

（五）測量數(shù)據(jù)處理

在控制點(diǎn)布設(shè)、測量完成后，需要做好測量數(shù)據(jù)處理工作，采用科學(xué)的處理方法，確保測量數(shù)據(jù)處理的全面性。首先，無人機(jī)航攝圖像數(shù)據(jù)處理需要建立數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)D像進(jìn)行幾何糾正和配準(zhǔn)，使圖像坐標(biāo)能夠轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)。建立數(shù)學(xué)模型需要考慮影響因素，如攝影機(jī)的參數(shù)、平臺位置姿態(tài)參數(shù)等，并采用已知控制點(diǎn)方法的控制測量，確定圖像與地面或地圖的相對位置關(guān)系。常用的數(shù)學(xué)模型有直接線性變換、松弛塊法、最小二乘法等。通過數(shù)學(xué)模型，可以準(zhǔn)確計算出每個像點(diǎn)對應(yīng)的地理坐標(biāo)和高程，建立幾何空間模型，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。其次，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，無人機(jī)航攝圖像，存在各種形式的失真，比如中心畸變、徑向失真、透視畸變等，需要根據(jù)預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型對失真進(jìn)行校正。無人機(jī)航攝圖像在拍攝過程中受到各種干擾和影響，比如云、霧、霾、反光等，這些影響導(dǎo)致圖像的質(zhì)量下降，所以需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)，使其更容易觀察和處理，主要增強(qiáng)方法有對比度增強(qiáng)、噪聲降低、銳化和平滑等處理。最后，需要做好三維模型生成工作，三維模型生成的過程是將數(shù)字高程模型、紋理信息、攝像機(jī)外方位元素及其他傳感器信息等數(shù)據(jù)相結(jié)合，自動生成表現(xiàn)真實(shí)場景的三維立體模型，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)提供三維模型支持。

五、無人機(jī)航攝在工程測量測繪中的應(yīng)用注意事項(xiàng)

無人機(jī)航攝在工程測量測繪中應(yīng)用時，需要注意以下事項(xiàng)：1.合理規(guī)劃飛行任務(wù)。在進(jìn)行無人機(jī)航攝之前，必須對測量區(qū)域進(jìn)行充分的調(diào)查和研究，確定適合的飛行高度和航拍間隔，避免因地形、障礙物等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集問題。在規(guī)劃飛行任務(wù)時，必須密切關(guān)注氣象條件，避免在強(qiáng)風(fēng)、降雨、大霧等惡劣天氣下進(jìn)行無人機(jī)航攝，不良?xì)庀髼l件會影響無人機(jī)的穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量，可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。2.保證飛行安全。在進(jìn)行無人機(jī)航攝時，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的法規(guī)和規(guī)范，了解并遵守當(dāng)?shù)睾娇展芾頇C(jī)構(gòu)對無人機(jī)飛行的規(guī)定，獲得必要的飛行許可和執(zhí)照。確保飛行過程合法、安全、可控；在每次飛行前，必須對無人機(jī)和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行全面的檢查和準(zhǔn)備工作，包括檢查無人機(jī)的電池狀態(tài)、傳感器是否正常工作、攝像機(jī)的校準(zhǔn)等，確保無人機(jī)設(shè)備完好，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)飛檢查和功能測試；避免在人口密集區(qū)域、機(jī)場附近、限制飛行區(qū)域等禁飛區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)航攝，選擇空曠、無障礙物的區(qū)域，減少與其他飛行物體的沖突風(fēng)險。3.數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制。在進(jìn)行無人機(jī)航攝時，要確保拍攝的圖像質(zhì)量良好，注意攝像機(jī)的校準(zhǔn)和調(diào)試，避免圖像失真和色差等問題，同時需要關(guān)注光照條件，避免強(qiáng)烈的光線或陰影對圖像質(zhì)量的影響；在無人機(jī)航攝完成后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理和處理，這包括圖像的拼接、配準(zhǔn)、地物提取和數(shù)字模型生成等步驟，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，并進(jìn)行必要的校正和校驗(yàn)；進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查，包括驗(yàn)證控制點(diǎn)的準(zhǔn)確性、比對不同數(shù)據(jù)集的一致性等，確保測量結(jié)果符合預(yù)期的精度和精確性要求。

六、結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)航拍技術(shù)作為一種新型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代測繪工程測量工作中。通過科學(xué)、合理運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，能夠最大限度提高測繪工程測量工作的質(zhì)量與效率，相比傳統(tǒng)的航拍測量技術(shù)，無人機(jī)航拍測量技術(shù)更加迅速、準(zhǔn)確、靈活性更好、成本更低、安全性更高，充分保障了測繪測量的精確度，推動整個行業(yè)的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，無人機(jī)航攝技術(shù)在今后工程測量中會得到更加廣泛的應(yīng)用。

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