攝影測(cè)量與遙感技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

劉建明

（佛山市測(cè)繪地理信息研究院有限公司，廣東 佛山 528000）

1 攝影測(cè)量與遙感技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

1.1 地籍測(cè)量

地籍測(cè)量是地籍調(diào)查的重要工作內(nèi)容，是按照規(guī)定法律程序，配合相關(guān)管理部門，運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，確定界址線的位置、數(shù)量、形狀，計(jì)算面積，繪制地籍圖，為土地管理提供可靠保證。地籍測(cè)量的方法有很多，包括野外實(shí)地測(cè)繪、遙感測(cè)繪、航空攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量等。在不同時(shí)期、不同精度要求下，每種方法都有一定的適用性。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷成熟，無(wú)人機(jī)航測(cè)逐漸成為首選。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載攝像機(jī)和遙感設(shè)備測(cè)量地籍信息，能夠產(chǎn)生事半功倍的效果。無(wú)人機(jī)體積較小、機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速，對(duì)起降場(chǎng)地和天氣條件要求較低，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成目標(biāo)區(qū)域的拍攝及遙感信號(hào)探測(cè)。通過(guò)內(nèi)置智能芯片，還可以第一時(shí)間對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，最大化地保留原始數(shù)據(jù)，減少測(cè)量誤差。無(wú)人機(jī)航空攝影可以根據(jù)影像分辨率需求設(shè)定飛行高度，從而滿足地圖精度要求。搭載不同類型遙感設(shè)備，可以獲得不同時(shí)段、多光譜、多分辨率的影像數(shù)據(jù)，使田埂、溝渠、道路的輪廓清晰可辨，權(quán)屬界限走向明確，可以用來(lái)制作多種基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)可以與衛(wèi)星定位系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)用，通過(guò)對(duì)比分析，檢查測(cè)量結(jié)果是否存在問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾正反饋的測(cè)量效果。

1.2 地圖修測(cè)

地圖修測(cè)是工程測(cè)量的基本組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展以及自然環(huán)境的持續(xù)變化，已測(cè)制的地圖可能已經(jīng)難以滿足工程建設(shè)需求，需要按照相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)發(fā)生變化的地理要素進(jìn)行補(bǔ)充和修改，保證地圖的使用價(jià)值。（1）要掌握原圖的測(cè)量精度和測(cè)繪方法，收集相關(guān)資料，科學(xué)制訂修復(fù)方案。（2）要對(duì)原圖中有明確坐標(biāo)信息的固定地物點(diǎn)或者已經(jīng)布設(shè)的控制網(wǎng)進(jìn)行加密測(cè)量，提高修測(cè)精度?？梢岳米钚碌暮綌z像片，通過(guò)相片轉(zhuǎn)繪儀或其他光學(xué)投影設(shè)備，按修測(cè)部分周圍影像與原圖同名地物準(zhǔn)確重合，達(dá)到修測(cè)的目的。如果地形變化較大、影響范圍較廣，則需要通過(guò)航空攝影重新測(cè)量。衛(wèi)星影像遙感測(cè)量技術(shù)通過(guò)星載型傳感器采集工程數(shù)據(jù)信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以大幅度提高信息獲取效率。使用該技術(shù)進(jìn)行地圖修測(cè)時(shí)，規(guī)定的比例尺可以更小，比如，SPOT 多光譜圖影像比例尺為1∶100 000，能夠滿足相應(yīng)尺度下的地圖修測(cè)。如果需要在其他尺度下開(kāi)展作業(yè)，衛(wèi)星影像的分辨率應(yīng)按需調(diào)整，否則會(huì)影響精確度[1]。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用攝影測(cè)量和遙感技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)量，創(chuàng)建數(shù)字模型，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬處理，能夠直觀、清晰地展現(xiàn)工程建設(shè)周邊環(huán)境和空間形態(tài)，為科學(xué)規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，尤其是在公路工程建設(shè)中，能夠發(fā)揮巨大作用。隨著西部大開(kāi)發(fā)和“一帶一路”倡議的實(shí)施，公路工程建設(shè)面臨復(fù)雜的地質(zhì)條件，可能會(huì)引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，所以，公路選線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，攝影測(cè)量與遙感技術(shù)可以從源頭上降低建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)和成本費(fèi)用。傳統(tǒng)的外業(yè)勘測(cè)作業(yè)困難，不但危險(xiǎn)性高，而且工作量大、精確度差。利用無(wú)人機(jī)攝像和遙感技術(shù)，能夠多方位、多角度獲取高分辨率數(shù)據(jù)，保質(zhì)、保量地完成高危地區(qū)的地質(zhì)測(cè)量工作。同時(shí)，地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和分析能力，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用，能夠?qū)?fù)雜的地質(zhì)選線工作轉(zhuǎn)化為無(wú)人機(jī)和計(jì)算機(jī)作業(yè)，從而獲取高精度影像數(shù)據(jù)和4D 成果，并以此為依據(jù)，調(diào)整線路分布，滿足公路線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。該方法在體量較大項(xiàng)目的工程選址中也同樣適用，對(duì)于提高選址效率、降低選址成本都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.4 施工監(jiān)測(cè)

以往的工程測(cè)量工作主要集中在工程建設(shè)前期階段，隨著無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與遙感技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其在工程施工和竣工階段也體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。土石方開(kāi)挖施工是重要的基礎(chǔ)工程，具有一定的危險(xiǎn)性，而且對(duì)開(kāi)挖深度、平整度等方面要求較高。利用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)土方精準(zhǔn)測(cè)量的效果。先將測(cè)量區(qū)域劃分成塊，然后借助數(shù)學(xué)模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)地形情況，最后計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)高與地面之間的土方體積。其主要通過(guò)影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合邊界和標(biāo)高測(cè)量，實(shí)現(xiàn)土方工程量的精確計(jì)算。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取需要從布設(shè)相控點(diǎn)、遙感影像拍攝、數(shù)據(jù)處理3 個(gè)環(huán)節(jié)著手。在預(yù)處理階段，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，利用平滑濾波方法解決高程異常數(shù)據(jù)問(wèn)題，并對(duì)測(cè)區(qū)邊界統(tǒng)一規(guī)范編碼。實(shí)踐證明，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)量技術(shù)能夠獲得良好的土石方施工測(cè)量效果，而且隨著工程量的增大，測(cè)量精度和效率也隨之提升，有利于控制施工進(jìn)程，減少超挖、欠挖等問(wèn)題的出現(xiàn)。

1.5 竣工檢測(cè)

在工程建設(shè)竣工階段，需要做好竣工驗(yàn)收工作，包括一系列的工程數(shù)據(jù)測(cè)量核算，比如，高度測(cè)量、輪廓測(cè)量、面積測(cè)量等。在建筑高度測(cè)量中，可以利用攝影測(cè)量技術(shù)，并結(jié)合全站儀、激光測(cè)距儀等設(shè)備完成邊測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量。穹頂高度是高度測(cè)量中的重難點(diǎn)問(wèn)題，為了保證測(cè)量精度，需要將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量結(jié)果與其他儀器設(shè)備的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，保證穹頂高度測(cè)量的準(zhǔn)確性。在對(duì)邊測(cè)量時(shí)，需要做好全站儀觀測(cè)角度調(diào)整工作，將全站儀設(shè)置在建筑周邊，能夠有效避免較大高差的出現(xiàn)。采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量時(shí)，通過(guò)空間后方交會(huì)模型，可以完成相近參數(shù)的校驗(yàn)工作；利用空三加密軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空影像區(qū)域網(wǎng)平差，建立數(shù)據(jù)模型，保證高度測(cè)量精準(zhǔn)。在輪廓測(cè)量和面積核算時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，做到分層、分棟測(cè)量，計(jì)算核驗(yàn)相關(guān)尺寸參數(shù)，防止出現(xiàn)各尺寸參數(shù)之間的矛盾，保證套內(nèi)軸線及外框等邊線有效閉合。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量能夠保證較好的精確度，而且工作效率更高，資源消耗更少[2]。

2 高精度無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)合理配置

高精度無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要包括無(wú)人飛行器系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、地面輔助系統(tǒng)等子系統(tǒng)，其中，無(wú)人飛行器系統(tǒng)包括飛行器平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)；任務(wù)荷載系統(tǒng)則由各種遙感傳感器組成，比如，高分辨率數(shù)碼相機(jī)、紅外傳感器、多光譜成像儀、機(jī)載合成孔徑雷達(dá)等；地面輔助系統(tǒng)由地面供電系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控軟件數(shù)傳平臺(tái)等部分組成。在地面輔助系統(tǒng)的控制下，無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)搭載任務(wù)荷載系統(tǒng)對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)量任務(wù)要求和地形地質(zhì)條件特點(diǎn)，嚴(yán)格控制各部分功能和配置，對(duì)操作靈活性、任務(wù)荷載重量、續(xù)航時(shí)間、控制精度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比，選擇合適的系統(tǒng)配置方案。

2.2 獲取遙感影像

無(wú)人機(jī)遙感影像獲取主要包括收集整理資料、布設(shè)和測(cè)量相控點(diǎn)、規(guī)劃航線、選擇飛行場(chǎng)地、檢查準(zhǔn)備、監(jiān)控飛行過(guò)程、檢查航攝質(zhì)量等環(huán)節(jié)。全面收集整理與測(cè)量區(qū)域有關(guān)的數(shù)據(jù)資料，特別要收集比例尺1∶10 000 或更大區(qū)域的地形圖，明確采用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、高程系統(tǒng)等。像控點(diǎn)是影像解析和測(cè)圖的基礎(chǔ)，能夠糾正飛行器因電磁干擾或定位受限導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)像控點(diǎn)，通常選擇目標(biāo)影像清晰、相對(duì)固定，且測(cè)量準(zhǔn)確、平坦、易于判刺的位置。同時(shí)，選擇合適的測(cè)量方法，優(yōu)先采用網(wǎng)絡(luò)RTK 模式，在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和CORS 覆蓋的范圍內(nèi)，采用傳統(tǒng)RTK 工作模式，這樣有利于提高工作效率，保證內(nèi)業(yè)測(cè)圖成果能夠滿足精度要求。根據(jù)測(cè)區(qū)范圍，設(shè)計(jì)起飛點(diǎn)、降落點(diǎn)，控制飛行速度等參數(shù)，合理規(guī)劃飛行航線，確定航測(cè)范圍、航攝分區(qū)、航線敷設(shè)、參數(shù)設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容。飛行前檢查完畢后，導(dǎo)入規(guī)劃好的航線，等到飛行器RTK 得到穩(wěn)定解后，才可以操作起飛。飛行過(guò)程中，監(jiān)控人員要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)UAV 的姿態(tài)、位置、速度、電壓等工作參數(shù)。

2.3 遙感影像處理

無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取到的遙感影像需要通過(guò)一定技術(shù)手段處理后才能得到想要的成果。首先要確定所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，把采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)合相控點(diǎn)布測(cè)、POS 數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，進(jìn)行空中三角測(cè)量，然后通過(guò)圖像增強(qiáng)、畸變校正、影像拼接等處理，獲得最終的三維模型、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字地表模型圖等成果文件。

2.3.1 遙感影像預(yù)處理

在無(wú)人機(jī)遙感影像處理前，首先要確定并轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，常采用的坐標(biāo)系統(tǒng)包括地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系。選擇好坐標(biāo)系統(tǒng)后，將無(wú)人機(jī)測(cè)量得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系中。轉(zhuǎn)換方法有很多，其中，格網(wǎng)法精度最高，但要求測(cè)區(qū)內(nèi)有足量且均勻分布的重合點(diǎn)，這與工程測(cè)量的特點(diǎn)不符，因此，一般會(huì)采用參數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。選擇合適的轉(zhuǎn)換模型，選取重合點(diǎn)，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)和坐標(biāo)殘差，刪除不符合殘差要求的點(diǎn)，直到滿足要求為止。由確定的重合點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后對(duì)遙感影像坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3.2 空中三角測(cè)量

通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，可以獲得統(tǒng)一坐標(biāo)系的高等級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)。通過(guò)空中三角測(cè)量，能夠獲得全部所需坐標(biāo)，為制作高精度成果文件做好準(zhǔn)備。空中三角測(cè)量可以分為解析法和模擬法，解析法中的區(qū)域網(wǎng)法能夠減少野外控制點(diǎn)數(shù)量要求，保證內(nèi)部精度均勻，所以應(yīng)用最為廣泛。按照所取單元的不同，區(qū)域網(wǎng)法又可以分為光束法、獨(dú)立模型法、航帶法，其中，在無(wú)人機(jī)遙感影像處理中，光束法應(yīng)用精度最高，能夠適應(yīng)多種需求高精度的空三加密。

2.3.3 影像綜合處理

受多種因素影響，無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取的影像信息可能與實(shí)際特征不相符，會(huì)產(chǎn)生幾何畸變，這時(shí)需要采取有效的校正措施，修正圖像中像元坐標(biāo)在像方和物方空間坐標(biāo)系中的不一致，從而生成滿足地圖投影要求的新圖像。首先將像元坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地面點(diǎn)坐標(biāo)，然后進(jìn)行影像重采樣，實(shí)現(xiàn)幾何畸變校正的目的。在系統(tǒng)拍攝過(guò)程，由于受外界因素的干擾，得到的影像可能存在灰度集中問(wèn)題，需要做圖像增強(qiáng)處理，將一些無(wú)用信息削弱，以改進(jìn)影像質(zhì)量，增強(qiáng)視覺(jué)效果。通?？梢圆捎弥狈綀D、修正法、偏微分方程法、小波變換法等技術(shù)手段。雖然高精度無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)能夠獲得高精度圖像，但是受成像硬件設(shè)備的限制，不能同時(shí)獲取大面積區(qū)域影像，需要通過(guò)融合匹配等技術(shù)，將一組影像拼接整合成一張完整的寬視場(chǎng)圖像。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工程測(cè)量在土地管理、規(guī)劃決策、優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測(cè)、竣工驗(yàn)收等方面都能發(fā)揮重要作用，而攝影測(cè)量與遙感技術(shù)是應(yīng)用相對(duì)成熟的無(wú)人測(cè)繪方法，能夠有效提高工程測(cè)量的質(zhì)量和效率，減少資源消耗和成本費(fèi)用，在保證安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)過(guò)信息化分析處理后，根據(jù)需求構(gòu)建不同類型的成果文件，為工程建設(shè)管理提供有力支撐。