工程测量中无人机测绘技术的应用研究

引言

工程测量的质量和效率直接影响建筑工程的整体质量、进度和成本。传统的工程测量方式，如使用全站仪和水准仪进行测量，虽能获取精度较高的数据，但存在效率低下、人力资源成本投入大等问题，在面对大型地形和大面积施工时，这些问题尤为突出。因此在科学技术得到高度发展的时代下，无人机测绘技术也随之被应用、受到更多的关注，无人机测绘技术机动灵活、反应迅速、成本投入低廉使得其成为了工程测量领域十分有效的手段。

1.无人机测绘技术概述

1.1 无人机测绘技术的概念

无人机测绘技术就是通过各种传感器装在无人机的机体上，通过在空中对数据的采集、信息处理和结果生成的办法来进行测绘工作的现代测量技术。该技术将无人机飞行操作、遥感数据采集和地理信息处理有机结合，形成了一套完整的空间数据采集与处理解决方案。与地面手工测量技术相比，无人机测绘最大的优势是可以将地面工作的局限被空中的视野所打破，这使得数据采集的广度及效率得到了极大地提高。从技术体系来说，无人机测绘技术主要包括飞行平台、导航控制系统、传感器系统和数据分析软件四大模块，依据项目需求选择固定翼或无人多旋翼飞行器作为飞行平台，以全球定位系统与惯性测控模块确保精确制导定位、自主飞行；常用传感器系统有相机、激光雷达等，可以获取地面图像或地面三维点云，后期的数据处理软件将原数据融合、校正和建模，生成相应项目的测绘成果。这项技术的技术过程主要包括三个阶段：第一阶段，设计飞行作业阶段，根据测区地貌特性以及精密要求来确定高度、方向以及图片覆盖率；第二阶段，信息获取阶段，在这里，无人机是根据预先设置好的航线自主飞行并拍摄照片；第三阶段，数据处理阶段，这里采用摄影测量的技术将平面照片转化成立体地理信息产品。

1.2 无人机测绘技术的特点

无人机测绘技术作为工程测量现阶段的代表，其优势主要表现在无人机测量方式、测绘数据以及成本上。相较于其他传统测量手段，无人机测量依托空域优势，实现了测量方式的迭代升级。从操作方式来看，无人机测绘具有更强的灵活性和适用性。这就能够满足山区、河流、城市密集型等复杂地区的使用需求。同时无人机能够通过预设好的路径自主飞行，并结合实时坐标纠正系统将地面测点定位误差缩小到 cm 级，这能够在保证测量精度的基础上，最大程度减少人力浪费。这种自动化作业过程更适合需要反复观测的项目，如建筑工程监控或地质灾害体变化监测；就测量数据来说，无人机测绘展现出更为全面性与高效性。因为能够在飞机中嵌入高清相机、角度相机或者是激光扫描器来进行一次成像，从而一次性获取地面影像、纹理以及三维模型的相关信息。这种技术的多种数据组合特性，一次飞行可以同时完成创建数字高程模型、正射航片以及实景三维模型等地理信息产品的生产，能满足整个项目从立项到实施的各个环节。因此，这一点是其极具市场应用推广的主要优势。相比于传统航空测图设备，其初始投资仅为其十分之一左右，对起降场也没有特定的要求，对劳动力的需求小，而每飞行一次可以覆盖的面积可达数十平方公里，可以大量降低平方米作业的成本。

2.无人机测绘技术在工程测量中的应用

2.1 数据采集

在工程测量实践中，无人机的数据采集是整个测量工程的基础，主要通过系统运行获取高质量数据源。根据实际任务的需求，无人机可以通过不同的附件传感器来实现对多种类型资料的收集。固定翼飞行的无人机能够有效对大范围区域进行连续拍照，而多旋翼无人机则适用于小范围的精确定位测量，这两者结合起来就能够形成完备的机载信息采集体系。在数据采集之初，需要做好航线规划，这就决定了后续成果的质量，应根据测区地形、精度指标和制图比例尺等因素来确定高度、航向重叠比等内容，以确保后续的空中三维建模处理结果的可靠和高效。实际上，在数据采集中一般有两种方式：直上式成像和倾斜式成像。前者是采用垂直相机来获取地面正射影像，适用于传统的土地面积图绘制或者土体体积量算等测绘工作；后者利用 5 个摄像头同时获取不同角度的图像，更适宜于建设对象的三维建模或工程进度跟踪等测绘实。气象条件对得到的照片质量有决定性的影响。光线充足、无雨雪天气、风速不超过 8m/s 、光线稳定的拍摄状态下得到的图片色调好、纹理清晰。而在地形、地势复杂的山区、丘陵地区，采用模拟地基飞行的方案也能保持与地基飞行同等高度的飞行，保证影像分辨率的一致性。

2.2 数据处理

无人机测量制图的核心是在初始信息获得的基础上将之转化为成果地图。该过程分为三个部分：原始数据预处理、空三解算、建模及成果输出。首先，要对无人机采集的数据进行初步评估和预处理，滤除存在模糊、过曝丢失、颜色不平衡、畸变等问题的数据，为后续研究分析做好准备，因为使用高质量的数据作为输入至关重要。目前一些先进的技术完全可以自动检测影像上云层覆盖等进行处理的工作，大大提高预处理的效率。如果有包含 RTK/PPK 定位数据的照片，也要进行坐标系统的统一，才能保证空间参照系统的一致。而空三解算是整个处理工作的重中之重，是建立在特征点匹配的基础上将图像间的几何关系建立起来。空三解算是采用计算机视觉算法，可以在重叠的影像之间自动地寻出成千上万个连接点，构成测区内稀疏的几何模型。随着技术的不断发展，目前采用的软件 Pix4D、ContextCapture 等等可以达到亚像素量级的匹配精度，无论在纹理覆盖较为稀少的地区也能保持较高的连接点数量。我们依照项目需求来选择不同的科技手段。此外，如果需生成建筑模型或者工作场地模型，可采用倾斜摄影的方法生成真实的 3D 模型，通过拼接多角度图像重建地面的几何形态和纹理特征。接着把它们都转换成可公制的标准地图资料。

2.3 成果应用

无人机地理测量技术已经变成一个全方位、多层次的科技系统，它所呈现的成果也基本上是数字化地形图、高程数值模型以及正射影像以及实物模型等等重要的产品。在项目设计初期，可充分利用高质量的 DOM、DEM 数据，为场址平整、土地平整、路径选择等提供地形基础数据，相比传统方法，可节省大量前期调查时间。在项目施工过程中，无人机测量的成果是广泛地应用在这一领域。定期的空域遥感检测，建造的实时三维模型可以使这些方面的数据如挖土的数量、坡移等重要指标数值进行数量上的评定，从而帮助施工人员及时调整施工计划。在建设项目竣工检测及维修保养阶段，无人机测量成果具有独特优势。真实的 3D 模型会保存竣工时的空间信息，不但可以作为完工后验收的参照物，而且可以为日后改造或加大建设提供数据依据。对于像输电线、网络管道之类的公共设施，可以通过对设计模型和实地测试的结果进行比较来迅速找出错误以及修正的方法。虽然目前的处理手段已能让测量的结果与 BIM 系统实现无缝对接，且显著提升工程信息的使用效率和管理效果，但类似的情况还有发生在紧急避难领域，借助无人机的快速反应能力可以将测绘数据有效地应用到紧急事件分析与判断中。

结束语

无人机测绘技术在工程项目测量中具有机动性强、效率高、经济性强等方面的优势，可应用于工程项目的大范围复杂地物测绘，合理采用新技术，可以使工程项目测量更加精确高效，给工程项目的设计施工、进度监控、工程质量评价提供更多的帮助。

参考文献：

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