工程测量中的无人机航测技术应用探究

引言：

在地理信息产业蓬勃发展的当下，测绘技术作为获取地理空间数据的关键手段，其重要性日益凸显。传统测绘技术如全站仪测量、人工实地测绘等，受限于作业效率低、地形适应性差、人力成本高等问题，难以满足现代工程建设和地理信息更新的快速需求。随着无人机技术与遥感技术的深度融合，无人机航测技术应运而生，并迅速成为测绘领域的研究热点与应用趋势。

一、无人机航测技术概述

1.1 技术原理

无人机航测技术融合了航空动力学、遥感探测与计算机视觉原理。在飞行控制层面，无人机搭载的惯性测量单元（IMU）实时监测姿态变化，通过内置的飞控算法自动调整旋翼转速或机翼角度，确保飞行稳定；GPS 模块与卫星通信获取精确位置信息，实现自主导航与航线纠偏。在影像采集环节，无人机按预设航线飞行，搭载的高分辨率相机或多光谱传感器，以固定时间间隔或距离间隔拍摄地面影像，覆盖目标区域。获取的影像数据经传输链路回传至地面后，利用数字摄影测量技术，通过特征点匹配、空中三角测量等算法，建立三维空间模型，进而生成地形图、数字高程模型等测绘成果。

1.2 系统组成

无人机航测系统是软硬件联合建设的系统工程，以飞行器为中心的硬件是系统最重要的组成部分。多旋翼无人机具有灵活性强、易于起飞降落的优点，是小区域、高精度测图的首选；固定翼无人机具有航时长、速度高的优势，适用于大区域地形测绘。光学相机作为传感器系统采集影像信息的关键组成部分，除一般光学相机外，激光雷达LiDAR 以及热红外相机等传感器也适用于不同测量场景的需要。数传电台和图传模块作为数据传输装置，确保飞行过程信息以及航测影像的实时回传。

1.3 技术优势

传统测绘方式采集完成一个大区域的数据，所需时间长；无人机可以操作人员到达难以到达的地形或危险的地形及区域，如山地、沼泽或灾情现场进行航拍，还可以节省人力成本等。高分辨率即能较为精确地获取每一处的数据，分辨清晰；航摄范围大即空间的尺度能够将较大面积的区域进行拍照处理，而且分辨率较高，精度为厘米级平面，分米级高程，可以满足大部分工程测量需求。

二、无人机航测技术应用的关键环节与技术要点

2.1 飞行前准备

充分的飞行前准备，是无人机航测的先决条件，从仪器、航线、像控点三个方面详细设计。对于仪器选用、检查，在航飞开始之前，要根据作业任务选用无人机以及相应传感器，例如作业面积较小精度要求高的情况下可以选择大疆精灵 4RTK，因为大疆精灵4RTK 自带的 RTK 模块能有效降低对像控点的依赖；作业面积较大的情况下适合采用固定翼无人机，设备的检查包含电压是否充足、螺旋桨是否完整、传感器的各项参数校正等，确认无误后才能起飞避免引起危险以及作业数据的低质。航线设计需要考虑山体地势的高低以及空域范围与测量精度需求，使用专门的软件设计航线、设定飞行高度以及飞行重叠度，防止航线遗漏或重拍。

2.2 数据采集

飞行参数和数据质量应控制在采集环节。采集的飞行参数直接决定飞行影像的质量，采集高度越高地面分辨率越低，根据以获取 1∶1000 地形图为例，采集高度为150m时地面分辨率为5cm；飞行速度以相机拍重的间隔匹配，防止影像拖影和漏拍，多旋翼无人机速度应保持 5～10m/s ，固定翼无人机速度保持 20～30m/s 。在保证数据质量的过程中，飞行前后及整个过程都需要考虑。采集起飞前检查云量和风速，风速大于5 级、云量大于 30%时应停止采集；采集飞行过程中随时调阅图传画面，及时关注飞行图像是否存在数据异常情况，若存在，应立即返航重新采集图像，将采集完毕数据存储至电脑，并备份采集数据以防上传途中丢失。

2.3 数据处理与成果生成

数据处理是将原始影像转化成测绘成果的关键步骤，数据处理包括首先对原始影像进行预处理格式转换、辐射校正、畸变纠正；其次调用 SIFT、SURF 等算法提取影像特征点，空三解算相机位姿参数建立稀疏点云模型；最后密集匹配算法建立密集点云，建立数字表面模型和正射影像图。成果生成与应用根据工程项目要求从点云数据中提取等高线、断面图等矢量数据以及根据 DOM 生成地形图；利用三维建模软件生成实景三维模型，应用于工程设计、施工进度监测等场景。对成果的处理需要进行精度校验，像控点坐标与模型同名点坐标之差在平面上应小于图上 0.5mm ，高程应小于1/3 等高距，数据成果满足规范要求。

三、无人机航测技术应用面临的挑战与应对策略

3.1 技术挑战

技术问题的三性，主要表现在无人机航测的精度、稳定性和高效性三方面的问题上。其主要体现精度问题为传感器精度及外界干扰问题，在森林、城市峡谷等卫星信号遮挡地段，其 GPS 定位精度较低，模型发生偏差，稳定性及安全性的问题为强风、暴雨等气候条件及无人机设备的失效引起无人机操作失控，电池电量问题及电机等硬件的失效而导致坠机问题产生。

3.2 法律法规与政策挑战

无人机航测受限于空域管理和数据保密制度。空域管制要求上，无人机飞行需要提前在空管局申请空域，周期较长，手续繁琐，在禁区、限飞区包括机场、军事区等大量区域禁止无人机飞行，限定了无人机航测的使用。无人机航测获取的高精度地理数据保密要求高，涉及国家主权和人民安全，在城市区域作业的航拍影像易侵犯公民隐私权等问题。

3.3 应对策略

建议从技术创新、法律规章与人员培养的多方面着手来解决上述问题，提高在复杂环境下的定位精准度，研发智能避障以及自适应飞行控制软件，提高飞行器在恶劣气象环境下的抗风扰；利用云计算以及分布式处理技术，建设云计算数据中心，例如阿里云ET 大脑，数据处理效率可提高一半以上。法律规章和政策上建议简化空域申请，设立“禁飞区白名单”和“临时飞行许可”，拟定统一样式的航测数据分类分级标准，界定涉密和非涉密数据的应用范围；拟订数据安全管理细则，规范数据采集、存储与传输。

无人机航测技术以其革新性优势重塑测绘行业格局，从高效的数据采集到高精度的成果输出，显著提升了地理信息获取效率与质量。随着技术持续迭代，其与人工智能、5G 等前沿科技的融合将更加深入。无人机航测技术有望在更多领域发挥关键作用，成为推动测绘行业智能化、精细化发展的核心力量，为社会发展提供更强大的数据支持与技术保障。

参考文献

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