無人機測繪技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用

高強

（太原市政建設(shè)集團有限公司，山西太原 030000）

0 引言

現(xiàn)階段，許多地區(qū)都開始使用無人機作為測量設(shè)備，完成測繪工作。特別是隨著當前影像技術(shù)的發(fā)展和突破，無人機設(shè)備已逐漸成為測繪工程中最主要的測繪設(shè)備。通過無人機開展測繪工程，相較于傳統(tǒng)的測繪模式來說，不僅提升了測繪準確率，還有效提高了工作效率。本文針對我國測繪工程的發(fā)展現(xiàn)狀以及無人機攝影測量技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用優(yōu)勢，探究了通過無人機攝影測量技術(shù)開展測繪工程的策略。

1 無人機測繪技術(shù)概述

無人機攝影測量成為一種新型的測繪手段，無人機設(shè)備具有續(xù)航時間長、消耗成本低、機動靈活等實際特點，因此，能夠完成具有一定難度的測繪任務(wù)。從具體組成上來看，無人機低空航攝系統(tǒng)一般由地面系統(tǒng)、飛行平臺、傳感器、數(shù)據(jù)處理4 個部分組成。地面系統(tǒng)包括作業(yè)指揮、后勤保障等車輛；飛行平臺包括無人機飛機、維護系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等；影像獲取系統(tǒng)包括電源、GPS 程控導(dǎo)航系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括糾正系統(tǒng)、立體測圖系統(tǒng)等。從無人機技術(shù)發(fā)展歷程來看，在2012 年以后無人機技術(shù)發(fā)展迅速。一些單位根據(jù)本單位的實際情況，將無人機技術(shù)應(yīng)用于航空攝影測量過程中。在這一時期，旋翼型無人機可搭載激光三維掃描雷達問世，該種設(shè)備的問世能夠?qū)崿F(xiàn)小面積數(shù)字測量。測繪軟件廠商根據(jù)測量需要，積極開發(fā)自動化無人機航測數(shù)據(jù)處理軟件，通過航測速率軟件的有效開發(fā)，進一步提升測繪的精準程度。在無人機技術(shù)不斷發(fā)展過程中，越來越多的單位或者企業(yè)意識到無人機測繪測量在遙感測繪領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。在無人機設(shè)備使用過程中，可以搭載多種較為先進的遙感設(shè)備，如高分辨率CCD 數(shù)碼相機、激光掃描儀，輕型光學(xué)相機等。無人機設(shè)備可以采集相關(guān)數(shù)據(jù)及信息，在數(shù)據(jù)以及信息采集完畢之后，通過相應(yīng)軟件對于數(shù)據(jù)以及信息進行處理，同時按照相關(guān)標準制作成圖像。通過運用無人機設(shè)備，能夠為使用者提供較為完整的遙感影像資料，對于了解測繪地區(qū)地質(zhì)水文情況起到至關(guān)重要作用。在具體應(yīng)用方面，由于無人機設(shè)備本身具有一定優(yōu)勢，因此，無人機測繪測量遙感技術(shù)可以應(yīng)用于突發(fā)事件處理過程中[1]。在各類突發(fā)事件中，如果采用較為常規(guī)的方法進行測繪地圖制作，很難達到較為理想的效果，同時測繪周期較長，也無法實現(xiàn)對于測繪區(qū)域的實時監(jiān)控。但如果合理應(yīng)用無人機航空遙感系統(tǒng)進行測繪則可以有效解決上述問題，通過無人機遙感技術(shù)應(yīng)用，能夠在第一時間了解測繪區(qū)域的大體情況，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對于測繪區(qū)域的全程監(jiān)測，最終達到較為理想的社會效果，也能夠為使用者提供重要參考依據(jù)。

2 無人機技術(shù)在市政工程測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 能夠?qū)崿F(xiàn)高速監(jiān)控

在市政工程勘測過程中，測量人員通過利用先進的無人機技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于所施工區(qū)域的高速監(jiān)控，通過進行高速監(jiān)控了解工程現(xiàn)場具體情況。運用無人機技術(shù)，能夠讓市政工程施工企業(yè)在對市政工程進行測繪過程中，避免一些外界因素干擾，最大程度提高測量精準性。通過運用無人機技術(shù)實現(xiàn)高速監(jiān)控，也有利于進一步節(jié)約市政工程施工成本，對于市政工程企業(yè)未來發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。在無人機技術(shù)應(yīng)用過程中，市政工程施工企業(yè)有關(guān)方面也應(yīng)當高度重視，為無人機技術(shù)有效應(yīng)用提供便利條件。

2.2 能夠保障數(shù)據(jù)的安全性

在傳統(tǒng)的工程測繪模式中，需要市政工程施工企業(yè)組織測繪隊伍進行測繪，但由于測繪人員水平各不相同，很容易出現(xiàn)工作失誤現(xiàn)象。同時在測繪信息的保管方面也存在相應(yīng)問題，如果測繪人員不能夠按照相關(guān)操作流程，對于測繪信息進行及時傳輸或者保管，則會造成測繪信息丟失，最終讓市政工程施工企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟損失。如果在實際測繪過程中運用較為先進的無人機測繪技術(shù)，則能夠通過電子方式傳輸或者保管測繪信息。在進行測繪時，技術(shù)人員可以運用數(shù)據(jù)安全加密系統(tǒng)，對于所得的數(shù)據(jù)及信息進行安全加密，通過設(shè)置防火墻的方式，能夠保障數(shù)據(jù)安全。再者，由于應(yīng)用無人機測控技術(shù)過程中，無人機設(shè)備可以與測繪目標保持一定距離，在數(shù)據(jù)傳輸時也能夠避免外界因素的干擾而導(dǎo)致傳輸誤差?？偟膩砜矗\用無人機技術(shù)進行測繪，能夠在最大程度上保障數(shù)據(jù)以及信息安全，為各類市政設(shè)計以及建造提供重要依據(jù)。

3 無人機遙感測繪技術(shù)應(yīng)用規(guī)范

3.1 無人機測繪技術(shù)應(yīng)用流程

無人機測繪技術(shù)的應(yīng)用流程可以分為外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分。其中，外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要包含原始航攝影像數(shù)據(jù)的采集和像控點數(shù)據(jù)的獲取。①原始航攝影像數(shù)據(jù)的采集流程包含測區(qū)踏勘、設(shè)計航攝方案和影像數(shù)據(jù)采集。測區(qū)踏勘方面，針對攝區(qū)的氣象、地形高度、光照及房屋分布等情況進行實地調(diào)查。設(shè)計航攝方案方面，根據(jù)測區(qū)踏勘得到的實地數(shù)據(jù)情況，規(guī)劃航線方向和航線線路，擬定航攝日期，確定航線的架次分區(qū)情況，指定航攝可能出現(xiàn)的應(yīng)急預(yù)案。影像數(shù)據(jù)采集方面，參照航攝方案，在外業(yè)航攝軟件上，確定返航點，設(shè)置返航高度、重疊度及分辨率等參數(shù)，開啟自動避障模式，啟動航飛，采集原始影像數(shù)據(jù)。②像控點數(shù)據(jù)的獲取流程包含像控點的布設(shè)、像控點數(shù)據(jù)的獲取。像控點的布設(shè)方面，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)像控點，布設(shè)像控點時需注意，像控點的位置要在影像上清晰可見，不能存在遮擋或者模糊的情況，盡可能布設(shè)在影像重疊度高的位置。像控點數(shù)據(jù)的獲取方面，根據(jù)像控點的布設(shè)情況，利用GPS-RTK 對像控點進行采集，采集時，注意拍攝像控點的點位照片，采集后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，整理像控點的文件成果和像控點坐標數(shù)據(jù)成果[2]。

3.2 提出任務(wù)

相關(guān)人員提出無人機遙感測繪任務(wù)，明確測繪目標，確定測繪區(qū)域地點、范圍、內(nèi)容等，而測繪人員則接受任務(wù)，依據(jù)相關(guān)要求、規(guī)范，構(gòu)建完善的測繪方案，制訂合理的測繪計劃，為無人機遙感測繪技術(shù)的高效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.3 航線設(shè)計

航線設(shè)計水平影響著無人機遙感測繪任務(wù)的完成水平、飛行安全等。在飛行作業(yè)前，有必要科學(xué)設(shè)計航線。航線設(shè)計的方法如下。

（1）基于目標快速定位的航線設(shè)計。在設(shè)計航線時，應(yīng)先了解飛行目標，清楚飛行高度，再確定航線。這樣不僅可以保證飛行效率，而且可有效完成飛行任務(wù)。

（2）基于區(qū)域影像獲取的航線設(shè)計。無人機遙感測繪任務(wù)包括測繪范圍，對于無人機來講，其就需要完成區(qū)域范圍內(nèi)的測繪任務(wù)。航線設(shè)計是獲得可靠測繪數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，所以要注重基于區(qū)域影像獲取范圍、要求，設(shè)計航線。其中，需要計算航帶間距、飛行高度以及航帶數(shù)目、長度等，以此提升航線設(shè)計水平。

（3）回收航線設(shè)計。傘降回收、阻攔回收是常應(yīng)用的無人機回收方法。在回收無人機中，要提前設(shè)計回收點，方便回收。為盡可能地保證回收安全，提高對回收問題的處理水平，還需要設(shè)計應(yīng)急回收點[3]。一般而言，應(yīng)急回收點應(yīng)當超過3 個。

3.4 申請空域

測繪人員在執(zhí)行無人機遙感測繪任務(wù)前，需要向空域管理部門申請空中作業(yè)飛行許可，以防止飛行作業(yè)中與其他航空器發(fā)生事故。申請通過后才能執(zhí)行任務(wù)，否則無法執(zhí)行任務(wù)。由此可見，空域申請也是執(zhí)行飛行任務(wù)中不可缺少的環(huán)節(jié)?？沼蛏暾垖ΡＵ巷w行安全具有重要意義。

3.5 飛行操作

飛行操作是無人機執(zhí)行任務(wù)的過程。要想提高飛行操作水平，就必須把握好飛行操作的關(guān)鍵點。

（1）根據(jù)工程測繪規(guī)劃，確定調(diào)查區(qū)域的位置，了解調(diào)查區(qū)域的天氣情況。陽光充足的晴朗或平靜的天氣適合飛行。如果天氣條件符合飛行運行標準，就可以飛行，否則就不能飛行。在飛行操作中不僅需要注意天氣情況，還需要控制飛行時間。一般來說，上午10：00至下午14：00 是比較適合飛行的時間。

（2）組裝無人機，確保安全穩(wěn)定飛行；調(diào)試地面系統(tǒng)，方便測繪任務(wù)的執(zhí)行；將無人機與地面系統(tǒng)連接起來，發(fā)揮地面系統(tǒng)對無人機的監(jiān)控作用。

（3）設(shè)定地面系統(tǒng)攝像參數(shù)、路線等，為順利完成測繪任務(wù)提供可靠保障。

（4）操作地面系統(tǒng)，完成無人機起飛方式、航路飛行、圖像數(shù)據(jù)采集等控制。一旦獲取了圖像數(shù)據(jù)，就需要將其傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。

3.6 低空作業(yè)的信息采集

在工程測量中應(yīng)用無人機測繪技術(shù)的時候，無人機的飛行高度受諸多因素的影響，測量結(jié)果的準確度也會因為地形特點、溫度、濕度等因素而有所差異。例如，工程測量區(qū)域位于一些高海拔地區(qū)的時候，云層覆蓋會導(dǎo)致空間可見度較低，難以保障拍攝圖像的精確度?；诖耍梢酝ㄟ^無人機低空作業(yè)來進行測量，基于實際情況控制好無人機飛行速度，設(shè)置適宜的無人機飛行路線，并實施監(jiān)測無人機的飛信狀態(tài)，以有效規(guī)避飛行過程中的風(fēng)險。在應(yīng)用無人機測繪技術(shù)的時候，需要重視信息采集環(huán)節(jié)，需根據(jù)測量數(shù)據(jù)類型來制定適相應(yīng)的測量方案。常見的信息采集過程有兩種，一種是自動加密，另一種則是手動采集。自動加密是在無人機內(nèi)部設(shè)置控制系統(tǒng)，以該系統(tǒng)來智能識別、采集和儲存數(shù)據(jù)信息，具有較高的自動化水平，有利于保障采集數(shù)據(jù)的安全性；而人工采集則是在無人機測繪過程中，由技術(shù)人員遠程操控計算終端，根據(jù)測繪項目要起來確定無人機的測繪內(nèi)容，通過圖像拍攝來手動采集數(shù)據(jù)信息，保障所采集數(shù)據(jù)的真實性。就目前而言，無人機測繪技術(shù)的應(yīng)用仍然受到一定的限制，需要在應(yīng)用前做好相關(guān)準備工作，預(yù)估測繪作業(yè)時間，以免無人機沒電，同時還要合理設(shè)計測繪區(qū)域、路線，進一步提升無人機測繪數(shù)據(jù)質(zhì)量，加快信息采集速度。

3.7 智能變化監(jiān)測

智能監(jiān)測使用的是DeltaCue 工具，它是遙感軟件ERDAS 的一個功能擴展模塊，用于大范圍影像變化的分析，協(xié)助用戶識別遙感影像中的變化圖斑。它提供了一系列的法則等處理方法，是基于工作流的方式對項目進行預(yù)處理、變化檢測、變化過濾、變化結(jié)果查看以及解譯。在影像配準的基礎(chǔ)之上，對不同時相的影像做定量分析，并在這個基礎(chǔ)上顯示出變化的情況。對影像差異進行差分運算，測算出影像有變化的部分，從而判別變化量是不是達到閾值[4]。DeltaCue 的一個關(guān)鍵技術(shù)在于發(fā)現(xiàn)感興趣的變化。首先，它會嘗試去辨別顯著的變化圖斑，然后幫助用戶識別感興趣的變化圖斑。變化檢測算法類型的選取需適應(yīng)于變化檢測的感興趣區(qū)域，不同算法的重點可以根據(jù)植被變化、土地變化，尤其是主色調(diào)的變化來選取或?qū)⑵鋵?yīng)的像素高亮顯示。例如，一條新的路或者市政物被考慮為顯著變化，盡管它可能并非用戶所感興趣的。不明顯的變化取決于傳感器的噪聲、大氣或者配準不良，則不在考慮范疇之內(nèi)。其次，軟件通過選擇過濾器和設(shè)置過濾參數(shù)允許用戶去掉這些不明顯的變化圖斑，利用域值設(shè)定可以達到這一目的。小域值用于去除小圖斑（傳感器的噪聲），大的域值適合于大區(qū)域的、很明顯的變化圖斑（由云區(qū)引起的）。不精確配準濾波用來去除因配準不良引起的明顯變化。一旦已經(jīng)界定了變化輸出，輸出的結(jié)果就被認定為顯著變化。

4 無人機遙感測繪技術(shù)在市政測繪工程中的應(yīng)用

4.1 在城市地形測繪中的應(yīng)用

無人機在大比例城市地形圖測繪的應(yīng)用中有突出的技術(shù)優(yōu)勢與積極的應(yīng)用前景，諸多城市已利用無人機測繪得到了城市一定范圍內(nèi)符合規(guī)范的地形圖。2010 年，無人機航空攝影測量技術(shù)由國家測繪局普及推廣，隨后多個部委先后啟動無人機航攝系統(tǒng)應(yīng)用，無人機航攝應(yīng)用逐漸鋪開，實際應(yīng)用也逐漸增多。我國多個省市規(guī)劃部門采購無人機用于城市規(guī)劃測量技術(shù)應(yīng)用。無人機航空攝影測量技術(shù)提高了地形圖測繪的現(xiàn)代化水平，其優(yōu)勢在于影像數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)獲取效率、社會經(jīng)濟效益較高。

4.2 無人機在數(shù)字孿生中的應(yīng)用

數(shù)字孿生城市的建設(shè)，離不開無人機等新技術(shù)的應(yīng)用。在市政與城市規(guī)劃領(lǐng)域，數(shù)字孿生是指一幢市政或者城市的物理實體的三維模型，并且由真實實體的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動3D 模型的動畫。數(shù)字孿生技術(shù)包括三維激光掃描、攝影測量與遙感技術(shù)、BIM、基于位置的服務(wù)（LBS）等。無人機作為平臺可以搭載三維激光掃描設(shè)備、攝影測量設(shè)備與遙感設(shè)備，進行城市空間數(shù)據(jù)的測量與獲取，從而為城市數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)與模型信息[5]。隨后，基于BIM、3D-GIS 技術(shù)等為城市構(gòu)建城市三維信息模型，為城市各市政物或結(jié)構(gòu)物、自然資源等賦予數(shù)字化屬性，從而對城市的真實地形、地上地下景觀進行數(shù)字化三維模擬，打造與城市一致的虛擬城市環(huán)境。目前，我國的深圳市、雄安新區(qū)，都已經(jīng)開始在“智慧城市+數(shù)字孿生”等方面摸索和嘗試。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機遙感技術(shù)作為一種高新技術(shù)，在測繪工程中發(fā)揮了積極作用。其成本低、易操作、測量范圍廣、數(shù)據(jù)精準、圖像清晰、不受地形限制等特點科學(xué)有效地提升了測量工作的技術(shù)水平，為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。