探讨无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用朱江--中国期刊网

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探讨无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用朱江

发表时间：2020/12/31 来源：《基层建设》2020年第24期作者：朱江李郭伟

[导读] 摘要：建筑工程规模和数量持续增加，测绘作业是否落实到位，对工程整体施工质量和施工效益而言具有重要影响，此外伴随低空无人机摄影测量技术的发展和完善，为测量工作提供更加精准的数据支持，呈现出较强的技术应用价值。

        南京市测绘勘察研究院股份有限公司江苏南京 220001
        摘要：建筑工程规模和数量持续增加，测绘作业是否落实到位，对工程整体施工质量和施工效益而言具有重要影响，此外伴随低空无人机摄影测量技术的发展和完善，为测量工作提供更加精准的数据支持，呈现出较强的技术应用价值。本项目小区楼层较高、绿化植被茂密，此次项目采用了无人机技术和传统全站仪布设导线点采集并绘制地形图两种方法，通过试验验证了无人机技术可以满足日常非核心要素地形图的要求，作为辅助手段，无人机技术可以推广使用，具有一定使用价值。
        关键词：无人机遥感技术；测绘工程；具体应用
        引言
        科学技术可为无人机遥感工作提供更好的支持，其在测绘工程中占据着重要的地位，让无人机参与到各种测绘工作中以提高精准性。这是因为通过遥感技术对无人机进行控制，然后将图像摄像、遥感技术及计算机等先进技术融合，技术人员可在后方开展工程测绘工作，从而为测绘工作提供更加强大的安全支持，保障测量技术的精准性。所以应对无人机遥感技术进行多方面的思考，分析该技术在工程测绘中应用的优势，结合实践探究其有效应用情况，这样可以为后期测绘工作的开展提供有效的技术支持，有利于提高工程测绘质量和效率。
        1设备与软件介绍
        1.1设备介绍
        本次项目所采用的无人机为大疆精灵Phantom 4 Pro，其为四旋翼无人机，配备一体式云台相机，相机使用1英寸CMOS图像传感器，并配合高精度防抖云台，可稳定拍摄高达每秒60帧的4K超高清视频与2000万像素照片，这大大增强了飞行航拍的成像效果。
        2内业软件介绍
        本项目利用Pix4Dmapper软件进行影像的内业处理，其是目前市场上独一无二的集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件，其专业精度可达到优于5cm的精度。其工作流程如下图。

        3方案设计
        3.1.1软硬件选型
        软硬件：大疆精灵Pro；相关配件若干；航线规划软件；
        飞行航线参数：飞行高度：100米；航线间隔：20米；照片ISO：200；
        曝光时间：1/1000。
        3.1.2外业技术流程
        对于项目方案的设计主要从两方面入手，一方面是项目的外业方案，另一方面是内业影像的后处理方案。设计如下图

        项目方案设计
        3.2项目实施
        3.2.1外业实施方案
        第一步，进行实验样区的踏勘。对实验样区进行踏勘，有助于我们对实验样区进行详细的了解，该小区的楼层有多高，小区周边的环境如何，有没有大型的高压电塔等危险建筑物等，从而判定该小区适不适合飞行，其飞行的范围有多大，飞行的高度设为多少等。
        对于小区的踏勘，我们主要是先根据已有的地形图进行了解，再到实地进行查看和确定。
        第二步，航线设计。根据已有地形资料和前期的踏勘了解到该小区面积大概为26.74公顷，最高楼层18层，最高高度大概为70米，周围环境安全，无危险建筑物，不是禁飞区，可以行。该小区分布近似为一个正方形，长、宽大致相等，故设计航线长度为6302米，为保安全，飞行高度设为100米。
        第三步，控制点的布设。对于控制点的布设，小范围的航测原则上控制点的布设不少于3个。对于本项目，我们布设了8个控制点。其中有4个控制点是进行影像后处理的地理配准，另外4个控制点进行配准后的精度检验。控制点布设的原则是布设在空旷无障碍物遮挡的硬化地面上的，标志既要易于分辨，又要能拍到。由于该小区位于高新北路与朗山路之间，故，可以用路面上的行车标志作为控制点。小区里面的控制点也可以用小区路面上的行车标志作为控制点。因为在此次项目中，飞行的高度拍出的照片完全可以分辨出路面的行车标志。
        第四步，无人机航摄与控制点测量。要选择天气晴朗的时间进行无人机的航测。以下是航摄的具体步骤。首先，开启飞行器和遥控器，遥控器可以用USB连接ipad。
        接着我们要进行航线的设计，先新建一个飞行任务，有两种选择飞行区域的模式，可以地图选点也可以飞行器定点。地图选点是对于区域地形不复杂的飞行，而区域地形复杂，踏勘不充分时可以选择飞行器定点。这样可以很快的了解测区的情况。
        首先在地图上选择飞行的区域，设置飞行的高度，航向重叠我们设置为百分之八十，旁向重叠设置为百分之七十，可以通过调节主航线角度来选择最优航线，保证航片质量。拍照模式改为等时间拍照。设置完成之后进行起飞，飞到一定高度可以设置成自动飞行模式，便可以自动完成航拍任务。
        对于控制点的测量，需要用到RTK进行测量，要严格按照相关要求对控制点进行测量。控制点的采集如图

        3.2.2 内业实施方案
        第一步，进行影像的后处理。将航拍的照片进行简单的处理之后，就可以用Pix4D软件进行影像处理了。打开软件新建项目，设置相关参数之后，加载图片。因为我们用的无人机可以把GPS信息直接写入到照片，Pix4D会自动把这些信息从照片中提取。另外，Pix4D软件并不强调一定需要飞行的姿态，它只需要相片号、精度、纬度和高度就可以了。如下图

        设置影像的属性，坐标系、地理定位和方向以及相机型号等。之后进入项目，界面如图

        图 4-8 相片初始化处理
        理分为三步，第一步初始化处理，第二步是空三加密，第三步是数字表面模型和正射影象图的生成。在相片的初始化处理中，软件自带导入控制点功能，可以将控制点先行刺在相片上。如图

        图 4-9 控制点的导入与处理
        之后点击开始处理。软件会自动进行以上三个步骤。结果如图

        图 4-10 空三加密的结果

        图 3-11 生成正射影像图和数字表面模型
        结束之后会生成一份质量报告，如图

        图 3-12 质量报告
        由质量报告可以分析出，本次航测所得影像图经处理后，是完全符合五项质量要求的，可以使用。
        第二步，影像的地理配准。我们利用ArcGIS软件进行影像的地理配准。将处理后的影像加载到ArcGIS中，利用工具箱中的地理配准工具进行配准。用之前采集好的像控点对影像进行刺点配准。，如图

        图 3-13 影像的配准
        刺过点后右击输入控制点的平面坐标，本次项目用的是92南京地方坐标系，故配准时应输入地方坐标系。以此类推将其他几个像控点也进行配准，然后进行平差计算。最后会得到配准后的影像。
        第三步就是对影像图进行矢量化制图，这里可以用ArcGIS软件进行矢量化制图，也可以用公司软件广州开思进行绘图。利用ArcGIS绘图要进行要素的创建，之后进行矢量化，而广州开思比较方便，可以把配准后的影像直接导入到软件中直接进行矢量化。如图

        图 3-14 影像图的矢量化
        矢量化完成之后便可以按照公司相关规定进行地形图的绘制，得到该小区的基础地形图。
        4航测成图的精度检验
        对于航测成图的精度检验，本项目采用计算中误差的方式来进行分析。采用航测成图的碎步点与用全站仪实采的点进行平面点位误差的计算进行比较。首先在实地选取特征点并采集点位坐标，再在航测所成图上提取相应点的坐标信息，最后进行中误差的计算。我们先在影像上选取30个特征点，并提取其点位坐标，如图

        图 4-1 选取特征点
        用全站仪测出影像上的特征点的平面坐标之后，与矢量化所得的坐标进行比较分析，得到点位差和中误差。详见表4-1。
        计算公式：∆x＝x－x′，∆y＝y－y′，∆L＝sqrt（∆x2＋∆y2）；点中误差公式m= sqrt（∑[∆L2]/2n）；
        上表中，以test开头的点是在影像上所提取的点，以JC开头的是实地所采的点。
        数据分析：
        （1）共计23组数据，点位中误差为0.307m，达到1：1000地形图精度要求。
        （2）第6组的点位误差偏大，主要有三方面的原因。
        第一，可能是影像在配准时发生畸变，导致该点在影像上的位置发生偏移；
        第二，人为因素，可能在矢量化的时，由于人的感官有所不同，故在矢量化是所画的点位也是有所不同；
        第三，可能是全站仪实地采点时的人为原因。
        总体来说，成果精度可以满足1：1000地形图的精度要求。
        项目特点作业灵活
        （1）本项目采用的无人机，操作方便、易学易用，实现了“短平快”目标。（2）周期缩短。作业周期大大缩短。（3）效率高。大大降低工作周期，节省了人力物力和时间，提高了测绘工作效率。
        4项目总结：针对本次项目情况，主要有两方面的总结。
        （1）外业方面，要提前做好规划，了解测区环境，规划好航线，选好飞行时间，组员之间相互配合，控制点的选取与测量一定要符合相关测量规范。
        （2）内业方面，做好控制点的点之记，便于航片的处理与配准，内业制图要严格按照相关规定进行作业。
        （3）周期方面，大大降低工作周期，节省了人力物力和时间，提高了测绘工作效率。
        总之，无人机航测将会是未来测绘的一种新的发展趋势。相较于传统测绘仪器而言，无人机轻巧灵活便于携带，对于城市居民区的测绘利用全站仪费时费力，而利用无人机航测则大大提高了工作效率，从本次项目航测制图的所得的精度可以看出，无人机航测精度满足解决小区内部道路测绘和小范围应急测绘的需求。
        5测绘工程中无人机遥感技术的优势
        5.1 机动灵活
        无人机与航拍飞机相比体形较小，升空时间较短，所以不需要建设专业的升降场地，且具备更加强大的灵活性。遥感操作系统基于科学技术的支持实现快速的升级发展，技术成本也较少，同时也具备操作更加简单的技术优势。技术人员在进行工程测绘之前需要制订针对性的飞行路线，在工程测绘过程中可让无人机根据飞行路线自动飞行并开展测绘工程，这样可收集更多的测绘数据。无人机在飞行过程中稳定性比较强，所以不仅能开展高强度的航空拍摄工作，也能保障数据测绘的精准度。因为无人机不需要载人，所以在能源相同的情况下无人机可飞得更远，将高度控制在10 m 的精准度以确保测量工作的质量。无人机能与计算机进行有效的结合，然后通过网络连接的方式将测绘数据及时传递给地面工作平台，技术人员能对测绘数据进行技术的处理，具备高效的数据处理效果，有利于测绘工作的稳定开展。
        5.2数据处理所消耗的费用较少
        通过对无人机进行系统分析可发现其控制结构比较简单，所以造价较低，驾驶员只需要通过遥感系统对无人机进行控制，这样就使得考取无人机的驾驶证比较简单，上岗时间也较短，能快速参与到无人机操作中。在无人机制作过程中通
        常采用碳纤维复合材料，质量较轻，因此后期的技术保养及维修工作比较便捷，不需要消耗太多的资金投入到无人机的处理中。同时无人机遥感技术是一项创新性的技术，所搭配的影像设备要求比较低且硬件处理的技术配置要求不高，因
        此数据处理过程中所消耗的资金较少，尤其是与常规航拍飞机的资金消耗相比更少。所以无人机遥感技术在数据处理过程中占据着优势，在测绘工程中得到比较广泛的应用。
        5.3可进行多个角度的影像资源拍摄且分辨率较高
        在使用无人机进行数据测绘的过程中能拓展监测范围，根据航空高度的差异开展大面积的技术监测工作，也可在低空中进行小范围的精准监测，保障各个高度拍摄工作的开展质量。如运用数架无人机多次开展遥感监测工作，对上万平方米的检测区进行数据监测，然后将这些数据和之前的信息进行紧密的结合，以三维仿真模拟技术对观测区进行宏观的监测，为决策部门提供支持。使用无人机开展测绘工程数据测量的过程中所搭载的影像设备大多是新型设备，也是一些高精度的数码设备，这样可从多个方面开展影像拍摄，如从倾斜或垂直及水平等角度对目标进行测量。所以说在测绘过程中，无人机可从拍摄地点开展多个角度的目标拍摄，也能进行多个尺度的影像拍摄，这样能解决因建筑物遮挡所导致的测量问题，进一步提高工程测量的精准性，解决传统单一拍摄出现的不足，为测绘工程的开展提供更强大的支持。
        5.4监测限度宽泛
        无人机技术持续优化改进，目前监测范畴较为宽泛，不管是大范畴物体还是小范畴物体都能够监测，并且监测范围是可控的，用在测绘项目效果颇佳，能够限定测量的范畴，在一定程度内是可伸缩的。利用无人机遥感技术能够实时获取目标区的实际状况，而且能够通过设施以三维的方式显示地理信息。
        通过比较来说，传统的测绘工作往往是由人工进行，而很多地质较为恶劣的环境，人工无法涉及。一些气候较为恶劣的环境，人工在进行测绘工作收集信息的过程之中，会受到非常大的环境阻力。而且这也会在一定程度上影响人工测绘，最终获得信息的准确性和全面性。但相应的无人机遥感技术在信息收集的时候，就非常妥善的解决了这些问题，解放了人工进行测绘的工作。而且比传统的人工测绘所收集到的信息精度更高，对于相应范围的控制更加准确。另外将无人机遥感技术与其他传统的测绘技术进行比较，在范围控制方面，无人机技术也有着较高的优势。总体来说，目前在测绘工作上无人机遥感技术仍旧是最为先进的技术。
        5.5安全且可靠
        借助遥感技术的合理使用可以让各项技术进行有效的结合，给无人机的测量工作提供更充分的技术支持。通过遥感技术对无人机进行各种技术控制，然后让图像摄像、遥感技术及计算机等先进技术实现融合，技术人员可在后方开展工程测绘工作，从而为测绘工作提供更加强大的安全支持。通过无人机的操控和使用可对测绘工程提供更加强大的技术支持，确保测量工作的安全性。通过遥感技术的合理应用可对目标区域进行快速的信息处理，给人们提供分辨率较高的信息采集支持，进一步推动测绘工程的稳定且安全的开展。
        5.6高效性
        从测绘工程测量中无人机遥感技术的应用现状以及技术实施中的运行控制流程进行分析，无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用，主要的特点之一即为高效性。主要表现为无人机遥感技术测绘测量中，其数据传输为实时性，在数秒内即可完成区域测绘以及数据传输处理作业，有效提升了测绘作业效率。无人机遥感技术的高效性对于测绘工程中的作业成本控制以及整体工程开发进度控制，均发挥了重要的作用。
        5.6经济性
        关于测绘作业的实施，应用无人机遥感技术进行测绘测量，从经济性的角度分析则具备较大的应用优势。其中分析无人机遥感技术在测绘测量工程中的应用，主要的经济成本为人员成本以及各类中间成本，如差旅费等费用。实际消耗于测绘作业中的成本支出主要为电能成本。从整体的测绘成本支出方面分析，其极大地降低了测绘工程的作业成本，对于整体项目工程的成本控制有重要的作用。
        6无人机遥感技术发展趋势
        科技蓬勃发展，无人机传感精准性不断提升，无人机遥感技术更为关注飞行时的灵敏与控制。从测量项目准确度要求日渐提高的角度来看，无人机遥感技术需加大传感器准确度探究的力度，使获知的数据更为精准，为测量项目提供的数据更为可靠真实。而更大的传感器准确度意味着规模更大的系统设计以及承载力更高的芯片。但是无人机遥感系统本身的体积还需要缩小，两者之间的矛盾以及相应技术的提升上是研究人员需要不断解决的问题。但总体来说，传感器精度的提升仍旧是大势所趋。
        结束语
        总之，无人机遥感技术是当代前沿的科学技术和测量技术，有着显著的优点及作用，可以提升测量的质量和时效，获知的测绘数据也是较为的准确。
        参考文献：
        [1]张爱华.无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用[J].建材与装饰，2020（12）：220-221.