基于無人機(jī)測繪技術(shù)在地形圖測量中的應(yīng)用研究

文/王鑫彪

地形圖測繪越來越需要依賴于科技手段，無人機(jī)測繪技術(shù)作為科技的產(chǎn)物得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。本文通過對無人機(jī)測繪技術(shù)的優(yōu)勢、工作流程和實(shí)際應(yīng)用三方面展開分析探究，可見綜合利用無人機(jī)測繪技術(shù)，能夠保障工作人員的安全，提高數(shù)據(jù)的精確度，加快工程測量的效率，提升其在多方面的應(yīng)用效果，為后續(xù)工作開展提供強(qiáng)有力的支撐。

現(xiàn)階段，科技迅猛發(fā)展，地形圖測量越來越趨向于數(shù)字化測圖方式。傳統(tǒng)的測繪方式會(huì)受到地形、地勢和天氣等外界因素的影響，測量過程耗費(fèi)較多的人力物力及財(cái)力，測繪效果不佳。因此，需要引入現(xiàn)代化科技手段，無人機(jī)測繪技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地形圖測繪的過程中。無人機(jī)測繪技術(shù)具有應(yīng)用靈活、安全性能較高、工程測量效率以及精準(zhǔn)度高等優(yōu)勢，在地形圖測量中扮演著不可或缺的角色，極大推進(jìn)了相關(guān)工程行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。據(jù)此，不斷加強(qiáng)無人機(jī)測繪技術(shù)在測量過程中的應(yīng)用則顯得尤為重要。

無人機(jī)測繪技術(shù)概述

無人機(jī)測繪技術(shù)指的是通過無人機(jī)搭載的相機(jī)、激光雷達(dá)等設(shè)備，利用遙感技術(shù)、通信技術(shù)、GNSS 定位技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對自然地理環(huán)境、土地資源狀況、地震災(zāi)區(qū)等區(qū)域信息的近距離、高精度、自動(dòng)化的采集和處理地面信息的遙感測繪工作。無人機(jī)航測將無人機(jī)按照預(yù)設(shè)的程序路線進(jìn)行飛行，利用攝像傳感器和數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)對自然地理信息的獲取，再將獲取到的地面數(shù)據(jù)資料傳回地面工作站，通過計(jì)算機(jī)程序?qū)Φ孛嫒S信息的測算、處理與分析，完成地形圖測量的目標(biāo)。

無人機(jī)測繪技術(shù)的優(yōu)勢

高分辨率圖像

無人機(jī)采用的攝像傳感器，最高可達(dá)到厘米級別，超高的拍攝圖像像素進(jìn)一步確保了圖像的融合效果，減少地形測量誤差，顯著提升地形圖測量的效率，較快較好地完成預(yù)設(shè)工程任務(wù)。

高時(shí)效性和低成本

與傳統(tǒng)測量的模式相比，無人機(jī)測繪技術(shù)大大縮短了外業(yè)采集進(jìn)行的時(shí)間，在同等工程量下，應(yīng)用無人機(jī)測繪技術(shù)，工作人員可以成倍地加快工程測量的效率，節(jié)約近3 倍的時(shí)間。無人機(jī)成本較低，對于基礎(chǔ)的配套設(shè)施要求較少，大大減少了人工和測量工具的成本，為工程的高質(zhì)高量完成提供了極大的可能性。

較強(qiáng)的應(yīng)用靈活性

傳統(tǒng)的測繪技術(shù)經(jīng)常會(huì)受到復(fù)雜地形的影響，難以快速收集差異化信息數(shù)據(jù)，而無人機(jī)測量受外界的影響因素較少，具有機(jī)動(dòng)靈活性，制定合理的測量方案可以有效克服地形測量中的困難，做到數(shù)據(jù)及時(shí)更新，讓地形測量工作能夠順利開展進(jìn)行，完成預(yù)設(shè)目標(biāo)。

較高的安全性

因?yàn)闊o人機(jī)測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控，不需要工作人員深入復(fù)雜危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行測量，進(jìn)一步降低測量過程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)，保障了工作人員的安全，提高測量工作的安全性。

高效的數(shù)據(jù)處理

在與之前的技術(shù)相比，無人機(jī)測繪技術(shù)可以高效處理收集到的數(shù)據(jù)，首先，數(shù)據(jù)不需要手動(dòng)錄入，以航拍照片和POS 數(shù)據(jù)為主；其次，減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的頻次，資料均有統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠直接使用繪圖軟件進(jìn)行處理。

無人機(jī)測繪工作的流程

技術(shù)流程

無人機(jī)航空攝影測量項(xiàng)目作業(yè)的基本流程主要包括資料收集與分析、編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書、技術(shù)準(zhǔn)備、控制測量、無人機(jī)航空攝影外業(yè)航飛、像片控制測量、空三加密、點(diǎn)云處理、DOM 影像制作、DEM 制作、航測數(shù)據(jù)處理、DLG 采集、外業(yè)調(diào)繪與碎部點(diǎn)測量、內(nèi)業(yè)編輯成圖、質(zhì)量檢查與驗(yàn)收等環(huán)節(jié)。

前期準(zhǔn)備工作

為進(jìn)一步提高測量項(xiàng)目的測量精度及實(shí)際測量效果，在工作開始之前要進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)測繪的技術(shù)控制。首先，工作人員應(yīng)對本項(xiàng)目內(nèi)容與要求進(jìn)行全方位地分析，確定所需人員與設(shè)備，并對無人機(jī)等設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量安全的檢查，確保儀器處于檢驗(yàn)合格期限內(nèi)并可以正常使用。其次，需要對本項(xiàng)目待測區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行全面地勘探，確定范圍，了解地形概況，收集相關(guān)資料、編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書，為后續(xù)測繪工作正常開展提供基礎(chǔ)資料。

控制測量

在一個(gè)新項(xiàng)目開始之前，在無人機(jī)航飛之前，需要研究分析場地范圍和項(xiàng)目用途等因素后，布設(shè)測量控制點(diǎn)對測區(qū)進(jìn)行坐標(biāo)控制，控制點(diǎn)選址要在使用空曠無干擾、使用方便、易于長期保存不被破壞的地點(diǎn)，采用GNSS 靜態(tài)觀測，解算后得到控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，精度檢查合格之后以此作為測區(qū)的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

像控點(diǎn)布設(shè)

無人機(jī)航飛之前需要布設(shè)像控點(diǎn)作為像片的平高控制點(diǎn)。作業(yè)人員進(jìn)場后，根據(jù)測區(qū)航測范圍圖，室內(nèi)初步選擇像控點(diǎn)的布設(shè)位置，劃分測區(qū)，規(guī)劃航線。選點(diǎn)時(shí)以分劃測區(qū)為參考，在區(qū)域內(nèi)均勻選取合適點(diǎn)位。室內(nèi)初步確定像控點(diǎn)位置后，野外進(jìn)行實(shí)地踏勘，如實(shí)地環(huán)境視野開闊無遮擋，地勢相對平坦，200 米內(nèi)無微波發(fā)射塔、50 米內(nèi)無高壓線等干擾源，則進(jìn)行布設(shè)。如實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)初選點(diǎn)位不適合布設(shè)，則根據(jù)實(shí)際情況，在初選點(diǎn)位附近另行布設(shè)。采用GPS-RTK定位技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)測量，采用多組測量求平均值法，每個(gè)像控點(diǎn)測量3 組數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)求取平均值作為最終三維坐標(biāo)值。

設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行整體方案

完整合適的飛行方案是測繪工作完成的關(guān)鍵一環(huán)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)及情況，規(guī)劃好無人機(jī)航行路線，制定數(shù)據(jù)測量點(diǎn)進(jìn)而開展工作。不同的地形對應(yīng)的測量要求不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形分為不同部分，在保證成圖精度的前提下，制定科學(xué)的飛行高度及速度，設(shè)置合理的航飛像片重疊度，選擇科學(xué)的無人機(jī)起飛降落場地，加強(qiáng)對設(shè)備的控制，提升測量的靈活度。航向重疊度一般應(yīng)為60%—80%，最小不應(yīng)小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%—60%，最小不應(yīng)小于8%。

設(shè)備調(diào)試及檢查

在測量工作開始之前，為避免無人機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)故障，工作人員應(yīng)詳細(xì)了解測量設(shè)備使用說明及安全注意事項(xiàng)，進(jìn)而對設(shè)備進(jìn)行全面深入的運(yùn)行安全檢查，保證其正常運(yùn)行。此外，飛行前調(diào)試好攝影設(shè)備圖像的精細(xì)度，確定好測量比例，加強(qiáng)工程測量的效率及準(zhǔn)確性。

檢查分析影像數(shù)據(jù)

因?yàn)闇y量環(huán)境不穩(wěn)定，飛機(jī)受高空中不穩(wěn)定氣流的影響經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)傾斜，偏離航線的情況，飛行過程中應(yīng)時(shí)刻關(guān)注飛機(jī)和數(shù)據(jù)的變化，如果出現(xiàn)的偏差較大，還需要重新測量。像片傾角一般不大于5°，最大不超過12°，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。特別困難地區(qū)一般不大于8°，最大不超過15°，出現(xiàn)超過10°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。

影像數(shù)據(jù)采集完成后，導(dǎo)出拍攝好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理分析。合理的選擇比例尺，處理好航測位置信息，航向傾斜問題等，盡可能的使測量位置和實(shí)際位置符合，按照對應(yīng)的參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

空三加密及點(diǎn)云處理

外業(yè)采集結(jié)束之后，首先采用空三計(jì)算軟件對外業(yè)采集的像片和POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行全數(shù)字空中三角測量（空三加密），空三加密作業(yè)流程如下：

數(shù)碼影像自動(dòng)內(nèi)定向→連接點(diǎn)匹配→連接點(diǎn)編輯→半自動(dòng)加密控制點(diǎn)→光束法平差→檢查連接點(diǎn)、控制點(diǎn)精度→區(qū)域網(wǎng)接邊、成果輸出。

其中檢查連接點(diǎn)、控制點(diǎn)精度如果超限則重新進(jìn)行連接點(diǎn)編輯的步驟。

空三解算完成，并且平面中誤差與高程中誤差檢查合格之后，使用建模軟件生成DOM 和DEM 模型。

DLC 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。作業(yè)人員在判清點(diǎn)位前提下，進(jìn)行全要素地形圖測繪要求采集地形圖要素。內(nèi)業(yè)采集過程中，采用采集與編輯相結(jié)合的作業(yè)，盡量減少下步工序的工作量。采集人員采集完成后交由內(nèi)業(yè)組長進(jìn)行檢查，保證采集的精度及完整性。內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)在外業(yè)調(diào)繪前，應(yīng)進(jìn)行一定程度的編輯，標(biāo)注圖號、作業(yè)人員、檢查員、結(jié)合圖等內(nèi)容。

DLC 外業(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪方法原則上利用初編的線劃圖進(jìn)行實(shí)地調(diào)查測繪，主要工作為內(nèi)業(yè)采集數(shù)學(xué)精度的檢測、地物補(bǔ)測、地理名稱調(diào)繪和其他地物地貌的調(diào)繪、補(bǔ)繪等。調(diào)繪圖件需標(biāo)識調(diào)繪人員、檢查員、調(diào)繪日期。

地物的修、補(bǔ)測主要采用GPS-RTK 或全站儀極坐標(biāo)測量的方法。即使外業(yè)修、補(bǔ)測時(shí)采集了地物要素?cái)?shù)據(jù)，外業(yè)人員亦應(yīng)在調(diào)繪圖上明確表示地物的相關(guān)位置。航攝后拆除的建筑物，或雖有影像但可不表示的地物應(yīng)在圖上用紅色“×”劃去，范圍較大時(shí)應(yīng)加說明。水涯線的調(diào)繪宜以攝影時(shí)的影像為準(zhǔn)，池塘、水渠等應(yīng)以坎邊為準(zhǔn)。被陰影遮蓋的及其他內(nèi)業(yè)難以判讀的地物。

地形圖編輯成圖

將調(diào)繪的內(nèi)容繪制到EPS 采集軟件中，并交由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人檢查通過后，導(dǎo)出為dwg 格式文件，在CAD 中對地形圖進(jìn)行編輯整飾。對測圖提供的圖幅數(shù)據(jù)進(jìn)行修編和調(diào)整，經(jīng)線型解釋、符號填充、文字注記、圖外整飾、圖幅接邊完成地形圖編輯，經(jīng)修改直至滿足成圖要求。

無人機(jī)測繪技術(shù)在工程測量中的實(shí)際應(yīng)用

礦山測繪中無人機(jī)技術(shù)的運(yùn)用

礦山資源是大自然賦予人類十分寶貴的財(cái)富，其埋藏的不可再生資源對社會(huì)發(fā)展中非常重要。近些年社會(huì)快速發(fā)展，對資源的需求越來越大，礦山資源的開發(fā)顯得尤為重要。

礦山地形圖測量是礦山開采和資源勘探不可或缺的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于找礦勘察設(shè)計(jì)、資源量估算、三維模型建設(shè)、礦山開采邊坡角設(shè)計(jì)等方面礦山測繪內(nèi)容設(shè)計(jì)分為四點(diǎn)，首先在接替資源中，需要對礦山資源保有量進(jìn)行評估，同時(shí)測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行評定，避免資源浪費(fèi)和開采環(huán)節(jié)架空等問題；其次在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對礦山現(xiàn)有生產(chǎn)條件及環(huán)境進(jìn)行實(shí)際分析，提前規(guī)劃已有礦山資源，實(shí)現(xiàn)資源的生態(tài)及可持續(xù)發(fā)展；然后在評價(jià)勘探過程中，深入研究開采過程中的問題，高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)資源的使用率；最后在收尾階段，結(jié)合礦山開采數(shù)據(jù)，撰寫測繪報(bào)告，廢棄礦山及礦坑還需要進(jìn)行資源調(diào)查和優(yōu)化。

無人測繪技術(shù)推進(jìn)了礦山信息化腳步，克服了礦山測繪中復(fù)雜險(xiǎn)峻地形和不良天氣的干擾，盡可能地獲取礦山實(shí)際的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，為后續(xù)精確繪圖和礦山利用提供了極大的便利。除此，無人機(jī)測繪技術(shù)還可以有力對礦山資源保護(hù)和利用。落后的開采以及過度的開發(fā)，使得礦山生態(tài)被嚴(yán)重破壞，無人機(jī)測繪技術(shù)的成熟及廣泛應(yīng)用，能夠有效的監(jiān)控開采過程，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)人為決策，控制違規(guī)情況提供強(qiáng)有力的保障。

綜上，無人機(jī)測繪技術(shù)的發(fā)展能夠提升礦山測繪效率，保證地質(zhì)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，全面反映礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為我國相關(guān)礦業(yè)發(fā)展提供了非常重要的作用。

公路測量中無人機(jī)測繪的應(yīng)用

公路建設(shè)的快速建設(shè)為我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。因此，進(jìn)一步優(yōu)化公路測量的步驟，高效率高質(zhì)量完成公路測繪技術(shù)顯得尤為重要。

公路的工程測量主要包括測量、分析、處理和管理公路工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營過程中的空間位置、幾何形狀、物理性質(zhì)、工程量及變形。公路測量工程的特點(diǎn)眾多，主要分為以下幾項(xiàng)：第一，范圍較為廣泛：既有公路線形、縱斷面、橫斷面，又有橋涵、隧道、邊坡、擋土墻等。第二，情況復(fù)雜多樣：地形地貌奇特多變，季節(jié)天氣變化多端，總量較大需要處理的問題也會(huì)較多。第三，技術(shù)需求多：運(yùn)用到多種技術(shù)共同測量，如全站儀測量技術(shù)和衛(wèi)星定位等，結(jié)合無人機(jī)測繪技術(shù)和遙感等技術(shù)。第四，高的數(shù)據(jù)精確度：有些重要位置測量誤差限制在厘米級別。第五，安全性較高：實(shí)際施工過程中需要進(jìn)行現(xiàn)場測量，且有時(shí)需要在路段繁忙的狀況下進(jìn)行，安全性要求要高。

無人機(jī)測繪技術(shù)應(yīng)用于公路工程測量中，能夠全面高效地提取高分辨率的影像資料，減少測量過程中的錯(cuò)誤，高效率完成工程測量任務(wù)，保障工作人員的人身安全。通過建立無人機(jī)測繪技術(shù)的詳細(xì)流程圖，為整體施工圖紙和作業(yè)節(jié)點(diǎn)劃分提供了依據(jù)，形成了一個(gè)立體化、精準(zhǔn)化的技術(shù)輔助系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫，指導(dǎo)后續(xù)工作順利開展。

建筑工程測量無人機(jī)測繪的應(yīng)用

建筑工程貫穿于人們生活的各個(gè)方面，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工量及難度較大，需要先進(jìn)的技術(shù)輔以支持，而建筑工程測量則是開展建筑工程建設(shè)的重要一環(huán)，有著十分明顯的優(yōu)勢。

無人機(jī)測繪技術(shù)應(yīng)用于工程測量的多個(gè)方面，首先是建筑物外觀，三維建模和測量可以真實(shí)反映該建筑物的高程、立面、屋頂和外部構(gòu)件等信息；其次是內(nèi)部測量，主要指室內(nèi)設(shè)計(jì)、裝修、設(shè)備安裝維修等；然后是地形測量，包括城市規(guī)劃、水利工程和環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)方面；最后是建筑物監(jiān)測，如電力設(shè)施，石化裝置等，獲取建筑物外觀結(jié)構(gòu)設(shè)備等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑物的監(jiān)測和評估。

建筑工程測量中使用無人機(jī)測繪技術(shù)，可減少人工操作的時(shí)間和成本，大幅提高工程測量的效率，獲取的高精度測繪數(shù)據(jù)提高了建筑物的精準(zhǔn)測量。同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的安全監(jiān)測和評估，提高了工程現(xiàn)場的安全性，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和整合可以為建筑師，設(shè)計(jì)師和管理者提供數(shù)據(jù)支持，高效完成建筑工程建設(shè)。

總之，無人機(jī)測繪技術(shù)憑借其高效率、高精度、高安全性和自動(dòng)化等優(yōu)勢，使得廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)工程的地形圖測量中，減輕了測繪人員的工作量，加快了工程測量的進(jìn)度，大大提升了測量的整體效果，滿足了人們近些年對地形圖測量的需求。當(dāng)然，無人機(jī)測繪技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展空間依舊很大，也存在一些不足，需要我們進(jìn)一步去探索研究，揚(yáng)長避短，才能夠?qū)ξ覈鐣?huì)的高速發(fā)展產(chǎn)生積極的意義。