淺析工程測(cè)繪中無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)

李松，羅新建，張曉

（山東衛(wèi)測(cè)地理信息科技有限公司，山東 無(wú)棣 251900）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程速度的提升以及基礎(chǔ)設(shè)施廣泛建設(shè)，城市規(guī)劃、道路設(shè)計(jì)、土地空間利用等多個(gè)領(lǐng)域中的工程測(cè)繪針對(duì)高精準(zhǔn)度的地理空間數(shù)據(jù)需求逐漸增大，以往采用的測(cè)繪方式受限，無(wú)法滿足多方現(xiàn)實(shí)需求。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)則能夠在較短時(shí)間內(nèi)，用最低成本獲取大面積空間地理信息，并運(yùn)用高分辨率影像呈現(xiàn)出來(lái)，彌補(bǔ)工程測(cè)繪的不足，促進(jìn)工程測(cè)繪高質(zhì)量發(fā)展?，F(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用愈加成熟，可對(duì)地面數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與分析，并勘探地礦資源，在環(huán)境評(píng)估和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)等方面也有一定的成效。

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)及其原理

1.1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是利用無(wú)人機(jī)搭載的遙感設(shè)備對(duì)地面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖像獲取的一種技術(shù)，結(jié)合無(wú)人機(jī)的靈活性和遙感技術(shù)的高分辨率、多光譜等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、快速、精準(zhǔn)的地面信息獲取與分析。21世紀(jì)初，開始研制工業(yè)型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，至今已經(jīng)較為成熟，但是在工程測(cè)繪領(lǐng)域中的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是基于無(wú)線電技術(shù)的一種無(wú)人飛行平臺(tái)，通過(guò)遙控、遙測(cè)、圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛和自主控制，通常由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、遙感傳感器、遙控設(shè)備、圖像傳輸設(shè)備等組成。

1.2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)原理

1.2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)載荷類型不同，產(chǎn)生的元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同，具備多元性和復(fù)雜性的特征，加上生產(chǎn)商的差異性，讓其同一種類型載荷在數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)上有所變化，因此，不同工程測(cè)量可以選擇不同的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，提供載荷搭載的平臺(tái)和飛行控制系統(tǒng)，一般由機(jī)身、機(jī)翼、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等組成。其中，機(jī)身是無(wú)人機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，承載載荷和提供飛行穩(wěn)定性；機(jī)翼則是提供升力，促使無(wú)人機(jī)能夠在空中飛行；動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力；導(dǎo)航系統(tǒng)則負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航和飛行控制。

1.2.2 遙感傳感器技術(shù)

遙感傳感器是無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的核心設(shè)備，能夠采集地面或大氣等目標(biāo)的遙感信息，根據(jù)工作原理可以分為光學(xué)傳感器、熱紅外傳感器和雷達(dá)傳感器、空氣化學(xué)傳感器、粒子探測(cè)遙感等，可以獲取不同波段的光譜圖像數(shù)據(jù)，包括可見光、紅外、熱紅外等，這些數(shù)據(jù)可以用于地表覆蓋分類、資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。例如，利用高光譜相機(jī)可以獲取地物的光譜信息，從而對(duì)地物進(jìn)行精細(xì)分類；利用紅外相機(jī)可以獲取地表的溫度信息，從而對(duì)火災(zāi)、環(huán)境污染等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在工程測(cè)繪中，激光雷達(dá)遙感技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，可通過(guò)激光束向地面發(fā)射并測(cè)量返回時(shí)間，獲取高精度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，生成數(shù)字地形模型、數(shù)字高程模型等，具有三維建模優(yōu)勢(shì)。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集和處理方法

在工程測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和處理是整個(gè)工作的核心，可對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，包括圖像校正、配準(zhǔn)、分類、變化檢測(cè)等，從而提取出有價(jià)值的信息，如地表覆蓋變化、資源分布情況、環(huán)境質(zhì)量狀況等。例如，通過(guò)圖像配準(zhǔn)和糾正技術(shù)，可以將不同角度和不同高度的圖像進(jìn)行對(duì)齊和校正，提高圖像的質(zhì)量和精度；通過(guò)變化檢測(cè)技術(shù)，可以識(shí)別出地表覆蓋的變化情況，為城市規(guī)劃、資源管理等方面提供依據(jù)。通常無(wú)人機(jī)航測(cè)需要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，特別是需要提前到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，分析飛行環(huán)境，檢查飛行設(shè)備，明確航測(cè)高度和圖像重疊度。而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用只需要獲取內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩種數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，其中內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要是數(shù)據(jù)預(yù)處理、空間三角測(cè)量、模型制作等內(nèi)容，外業(yè)數(shù)據(jù)處理主要是借助無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行航測(cè)。如圖1所示，為無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸與處理流程，可以通過(guò)圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)等技術(shù)提高圖像的質(zhì)量和清晰度，應(yīng)用點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分類等技術(shù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方面可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、插值等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和集成，但是需要結(jié)合具體情況和需求進(jìn)行針對(duì)性選擇。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 地形測(cè)量與制圖

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地形測(cè)量與制圖方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的地形測(cè)量方法通常需要大量的人力和物力，而且工作量大、效率低，而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)航拍、高程測(cè)量等技術(shù)手段，快速、準(zhǔn)確地獲取地表的高程數(shù)據(jù)和地形特征信息，經(jīng)過(guò)處理和分析后，可以制作出詳細(xì)的地形圖、數(shù)字高程模型等成果，為城市規(guī)劃、土地資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供重要的數(shù)據(jù)支持。具體而言，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)繪的地形測(cè)量與制圖中，可根據(jù)測(cè)區(qū)的范圍和地形特點(diǎn)，制定合理的航拍方案，包括航拍路線、拍攝角度、分辨率等，利用無(wú)人機(jī)搭載的高清相機(jī)、高程傳感器等設(shè)備，按照航拍方案進(jìn)行實(shí)地拍攝和數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，包括圖像拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程提取等，建立詳細(xì)的地形模型和數(shù)字高程模型，并制作出所需的地形圖和相關(guān)成果，如等高線圖、斷面圖等，用于地形分析、土地規(guī)劃和水資源管理等方面。

2.2 工程量測(cè)與監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程量測(cè)與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，在工程建設(shè)中，需要進(jìn)行大量的工程量測(cè)量和監(jiān)測(cè)工作，以確保工程的質(zhì)量和安全。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)獲取和分析，為工程量測(cè)和監(jiān)測(cè)提供重要的技術(shù)支持。在工程量測(cè)方面，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可根據(jù)工程需要，確定需要測(cè)量的工程量目標(biāo)和測(cè)量方案，包括測(cè)量范圍、測(cè)量精度、測(cè)量方法等，再利用無(wú)人機(jī)搭載的遙感設(shè)備進(jìn)行航拍和數(shù)據(jù)采集，包括對(duì)建筑物的形狀、尺寸等，對(duì)其進(jìn)行處理與分析，提取所需要的工程量信息，如建筑物面積、體積等，進(jìn)而結(jié)合測(cè)量結(jié)果輸出相應(yīng)的工程量數(shù)據(jù)和應(yīng)用成果，為工程建設(shè)與管理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。在監(jiān)測(cè)方面，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)定期或?qū)崟r(shí)獲取工程項(xiàng)目的圖像和數(shù)據(jù)，與施工計(jì)劃和設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，幫助管理者及時(shí)了解施工進(jìn)展情況發(fā)現(xiàn)并解決問題，優(yōu)化施工計(jì)劃和決策。同時(shí)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)對(duì)工程項(xiàng)目的外觀、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量進(jìn)行觀察和分析，提取出表面平整度、結(jié)構(gòu)尺寸、材料質(zhì)量等質(zhì)量特征和參數(shù)，幫助管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程質(zhì)量問題，進(jìn)行評(píng)估和采取相應(yīng)的措施，保障工程質(zhì)量。此外，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以用于對(duì)建筑物、道路、橋梁等進(jìn)行長(zhǎng)期地變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的高清圖像和定位數(shù)據(jù)，可以分析目標(biāo)是否出現(xiàn)沉降、傾斜、裂縫等變形情況，幫助管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物的變形問題，進(jìn)行預(yù)警和采取相應(yīng)的措施，保障工程安全和穩(wěn)定。

3 工程測(cè)繪中無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用方式

3.1 合理規(guī)劃航線

在工程測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃是非常重要的一步，合理地航線規(guī)劃可以確保無(wú)人機(jī)在拍攝過(guò)程中能夠全面、準(zhǔn)確地覆蓋整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域，同時(shí)也可以確保拍攝的質(zhì)量和效果。在進(jìn)行航線規(guī)劃時(shí)，需要考慮多種因素。首先，需要根據(jù)項(xiàng)目需求確定無(wú)人機(jī)的飛行高度、速度以及拍攝角度和分辨率等參數(shù)，避免參數(shù)的選擇影響最終獲取圖像和數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量。例如，飛行高度和速度會(huì)影響無(wú)人機(jī)的視角和覆蓋范圍，飛行高度過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在拍攝時(shí)受到地形的影響，而無(wú)法獲取全面準(zhǔn)確的圖像，飛行速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在拍攝過(guò)程中無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和拍攝。拍攝角度和分辨率同樣也是需要考慮的重要因素，拍攝角度決定無(wú)人機(jī)在拍攝過(guò)程中與目標(biāo)的角度關(guān)系，而分辨率則直接影響所獲取圖像的清晰度和細(xì)節(jié)程度。此外，還需要根據(jù)項(xiàng)目的具體需求和目標(biāo)進(jìn)行航線的定制化規(guī)劃。例如，對(duì)于需要獲取高精度數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，需要將航線規(guī)劃得更為細(xì)致，以確保無(wú)人機(jī)的每個(gè)拍攝動(dòng)作都盡可能地準(zhǔn)確無(wú)誤。

3.2 科學(xué)布置攝像控點(diǎn)

在工程測(cè)繪中，攝像探點(diǎn)的布置對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有著直接的影響。因此，在實(shí)施工程測(cè)繪過(guò)程中，需要科學(xué)、合理地布置攝像控點(diǎn)，以確保最終獲取的圖像和數(shù)據(jù)能夠滿足項(xiàng)目的需求。在布置攝像控點(diǎn)時(shí)，需要考慮項(xiàng)目的具體需求和特點(diǎn)，不同的工程項(xiàng)目對(duì)于攝像控點(diǎn)的要求各有不同，以建筑工程測(cè)繪為例，需要選擇合適的角度和位置來(lái)確保能夠準(zhǔn)確地測(cè)量建筑物的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)等特征。在攝像控點(diǎn)布置的過(guò)程中，還需要提高對(duì)控點(diǎn)密度和分析的重視程度，盡可能將攝像控點(diǎn)布置得更密集，確保攝像控點(diǎn)的分布能夠覆蓋整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域，避免出現(xiàn)遺漏或盲區(qū)。

3.3 精準(zhǔn)設(shè)定航測(cè)參數(shù)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)繪中應(yīng)用時(shí)，航測(cè)參數(shù)的設(shè)定需要非常精準(zhǔn)，包括飛行速度、飛行高度、拍攝分辨率、曝光時(shí)間、重疊度和側(cè)向重疊度等，避免其影響測(cè)繪結(jié)果的分辨率和精度。以重疊度和側(cè)向重疊度參數(shù)設(shè)定為例，重疊度是指相鄰航片之間的重疊程度，直接影響最終拼接圖像的效果和質(zhì)量，如果重疊度過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致圖像拼接處出現(xiàn)明顯的斷裂或不連續(xù)，從而影響測(cè)繪結(jié)果的精度，而重疊度過(guò)高雖然可以提高圖像匹配的準(zhǔn)確性，但也會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的工作量，需要根據(jù)項(xiàng)目需求和實(shí)際情況選擇合適的重疊度。側(cè)向重疊度是指無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中與航向垂直方向上的重疊程度，對(duì)于測(cè)繪結(jié)果的分辨率和精度也有著重要的影響，側(cè)向重疊度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致在垂直方向上出現(xiàn)明顯的錯(cuò)位或扭曲，從而影響測(cè)繪結(jié)果的精度。

3.4 高效實(shí)施內(nèi)業(yè)處理

在工程測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用涉及許多復(fù)雜的業(yè)內(nèi)處理環(huán)節(jié)，比如，圖像拼接、地物提取和數(shù)據(jù)分析等，為了提高處理效率和準(zhǔn)確性，可以采取一系列有效的技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)高效內(nèi)業(yè)處理。具體而言，可使用自動(dòng)化的圖像處理軟件和算法可以極大地提高處理效率，如結(jié)構(gòu)光法通過(guò)投射特殊的結(jié)構(gòu)光來(lái)獲取深度信息，實(shí)現(xiàn)圖像的高效拼接。同時(shí)，還可以應(yīng)用SfM（Structure from Motion）從運(yùn)動(dòng)中獲取結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)對(duì)不同視角拍攝的圖像進(jìn)行分析，自動(dòng)重建出場(chǎng)景的三維模型，減少人工干預(yù)，提高處理效率。此外，在軟件應(yīng)用上，可以應(yīng)用CAD、CASS、ArcGIS等作為處理軟件，進(jìn)行圖像處理、地物提取和地圖編制等工作。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)地形測(cè)量與制圖、工程量測(cè)與監(jiān)測(cè)，在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃航線，科學(xué)布置攝像控點(diǎn)，精準(zhǔn)設(shè)定航測(cè)參數(shù)，高效實(shí)施內(nèi)業(yè)處理等，提升測(cè)繪精度與效率，為工程建設(shè)提供可靠的地理信息支持。