无人机技术在测量工程地面位移形变测量中的应用

摘要：随着时代的快速发展，各个领域的技术水平都有了显著的提高，其中无人机技术的发展尤为突出。无人机技术已经慢慢走进中国各个领域当中，比如，可以利用无人机技术进行农药喷洒、微电影拍摄、地图绘制等。无人机技术在工程测量中也有至关重要的作用，同时也促进了测绘工程测量的整体发展，为中国测绘工程测量奠定了强有力的基础。本文主要探讨了无人机技术在测量工程地面位移形变测量中的的工作原理、优点、具体应用，为相关研究与实践提供理论与实践参考。

关键词：无人机技术；测量工程；地面位移形变测量

引言

为了确保施工的安全性，地表变形监测是十分必要的。采用传统的地表变形观测方法，能获取数据，但存在诸多缺陷，例如，测距范围有限，耗时费力。无人机技术是随着科学技术发展而诞生的具有多学科综合性的测绘技术，能结合GPS定位技术、通信技术、无人驾驶飞行技术、遥感技术等多种先进技术，准确、快速、大范围地获取到相关数据信息，已经在测绘工程测量中得到了广泛的应用，小型、易操作、能快速抵达普通观测设备不能到达的区域，例如边远的山地、河谷等。高精密传感器的应用，该方法能够获得大面积的地面数据，为地面形变测量提供丰富数据，有助于提升监控的效率与精度。

一、无人机技术在地面位移形变测量中的工作原理

（一）传感器数据获取

无人机在对地面形变进行实时监控的过程中，通常会搭载许多关键的传感器，并对这些传感器进行探测与分析。光学相机是一种常用的成像设备，能获取高精度地面图像。该方法是将物体表面的景物经镜头折射后，在感光元件上产生影像，并由此得到丰富的纹理、色彩等信息。通过对比多幅影像，利用影像识别技术，识别出地面物体的方向变化，从而推断出地面形变。而激光雷达（LiDAR）同时，也是一个很有价值的检测方法，通过激发和接收回波信号来检测物体。激光以光速传播，根据激光发射和接收的时间差和光线的传播速率，可以得到激光的相对位置。然后，通过多次扫描，构建高精度表面三维模型，并将其与多个时间序列模型进行对比，对地面形变的大小和方向进行准确地估计。还有倾斜摄影相机，这种方法可以从多个角度收集表面信息，可以得到更加全面的地物信息，为三维建模提供更加充足的数据支撑，尤其是在地势较高、建筑物较多的地区。常用的传感器参数列在下面的表格中：

（二）数据传输与处理

无人机在飞行过程中，将采集到的各种传感器信息通过无线传送模块传送到地面指挥中心，实现对目标的跟踪和跟踪。目前，大多数的资料传送都是利用数字化的微波技术，这一技术具有宽带宽、高速率和高容量等特点，可以进行大规模的资料传送；具有良好的抗干扰性，保证了在复杂的电磁环境下的可靠传送。地面测控台收到资料后，由专用的计算机进行分析。光学相机影像数据，首先采用摄像机定标的方法对图像进行修正，以去除摄像机的变形，并还原出图像的本来面目；然后对多幅图像进行拼接，通过特征匹配的方法来判断多幅图像的拼接位置；然后利用图像中的特征抽取方法，对图像中的重要特征点进行了提取，并与各阶段的特征点进行了比较，得到了偏移量。

（三）定位与导航技术

无人机在飞行中，最重要的就是精确的位置和航行。目前的研究大多依靠 GPS和北斗等全球卫星导航技术。GNSS是一种多个卫星组合而成的系统，无人机将其发送的信号发送出去，然后利用三维坐标的方法，求出自己的3D坐标值，从而完成对 GPS的位置的确定。在城市高层建筑、密林等复杂的卫星通信系统中， IMU可以进行短时定位，保证了无人机的平稳、精确。高级版无人机也运用了可视化的方法，使用摄像机采集的地表影像，对建筑物的角点、道路标志等进行辨识，并根据特征的匹配及视觉里程的方法，判断无人机的方位及航线，从而增强了其导航的可信度，从而达到自动航行及规避障碍的目的。

二、无人机技术在地面位移形变测量中的优势

（一）灵活性高

无人机是一款小型、机动、不受限于地理环境的小型飞行器。在山地、峡谷、丛林等地形较为复杂的地方，常规测量仪器很难到达，而无人机则可以方便地飞到现场，展开作业。比如，在山地地区进行地表变形观测，无人机技术可以沿着峡谷、山坡低空飞行，获得较为详尽的地表资料。另外，无人机还可以根据测量工作的需要，灵活地调整飞行高度、飞行速度和飞行路线，以满足各种测量环境的需要。

（二）数据获取速度快

无人机可以在很短的时间里，迅速地搜索一大片地区，获得了海量的地表资料。相对于常规的检测方式，该检测系统的检测效率得到了明显提高。用常规的全站仪进行地表变形观测，一次观测仅得到1个测点的资料，其测定速度较慢，在大范围内进行观测，耗时较长。无人机采用的是一种激光或光学摄像机，一飞就可以获得几千到几万个的数据，可以迅速地对测试地区进行探测。

（三）成本相对较低

尽管无人机和它所携带的装备的前期购买费用比较高，但是无人机在长远来看的话，它的测算费用要比常规的测算费用要低。常规的测量方式需要大量的人工（包括测量人员和辅助人员），并且需要专门的交通工具和保护装置来适应复杂的地貌环境，从而提高了测量的费用。如果在山地进行测量，需要雇佣向导，租用交通工具，以保证工作人员的人身和装备的运输。而无人机测量工作仅需要少数作业者，可降低由于地形的复杂性造成的装备损失及人工费用的提高。另外，无人机能迅速地实现测量工作，缩短测量周期，从而节约测量费用。无人机在大型地表变形观测工程上具有显著的性价比，下面是二者的造价比较（以一次10平方公里区域测量为例）：

三、无人机技术在地面位移形变测量中的具体应用

（一）地质灾害监测

在地震，滑坡，泥石流等地质灾难发生地区，无人机技术是必不可少的。无人机凭借着它的机动性，可以到复杂的地形和交通不便的隐患地区进行经常性的测量工作。无人机采用了高精密的 传感器和光学摄像机，获得了高清晰度的地表3D地貌数据和视频。在滑坡监控情景下，通过多阶段观测资料的比对和分析，实现变形量、变形速率、倾斜角等重要参量的精确提取。在此基础上，利用已有的地质力学模型和灾害资料，对该地区的滑坡灾害进行预报，并对其发生的时间、规模和影响区域做出准确的预报，这样，当地政府才能制定出一套科学的灾难应对方案。

（二）城市建设监测

无人机可以根据规划好的航路，对高楼进行周期性的全面的立体检测。通过建立房屋的3D建模，通过与设计模型的比较，可以及时地检测出房屋建设中出现的沉降不均和结构倾斜等情况。针对城区公路，无人机软件能迅速获得路面裂缝宽度、长度和路面平整度等参数的路面状态。通过对所采集的信息进行长时间的追踪和分析，可以对路面出现的塌陷、破损等安全问题进行预警，为城市基础设施的维护与管理提供科学依据。

（三）基础设施维护

对于像桥梁、铁路和大坝这样的大型工程，保证其自身的稳定和安全是非常重要的。无人机以其特有的优点，使其在工程建设中的经常性维修监控中发挥了重要作用。在大桥监控方面，无人机搭载了高清摄像机、红外热成像等装置，可以对大桥的每一个重要部分进行详细检测。利用高清晰度摄像机采集的影像，可以清楚地看到桥墩、桥面和拉索等部位有无开裂、腐蚀等缺陷；红外热像仪则可以检测桥梁结构内部的温度分布情况，发现潜在的结构缺陷。通过对监测结果的周期性统计，可以对桥梁的健康状态进行实时监测，及早地检测和处置潜在的安全隐患，从而保证我国重大工程建设的长效稳定。

四、总结

无人机在测量工程中显示了其特有的优点和广泛的使用范围，结合精密的位置和导航等手段，实现对地表变形的高效精确测量。由于其高灵活性、快速地采集数据以及相对低廉的成本，使得该方法在复杂地貌的测量以及大型测量工程中具有很强的应用价值。未来，随着传感器技术、人工智能技术和通信技术不断发展，无人机在地质灾害监测，城市建设，基础设施维修等方面，将会更加深度和广度地运用。

参考文献

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