无人机技术在测绘工程测量中的应用

一、无人机测绘技术的概述随着无人机技术的不断发展，无人机在很多领域都得到了广泛的应用。在工程测绘中的运用也越来越普及，尤其是近年来在各种光学雷达以及激光设备的加持下，使无人机在测绘领域的优势更加的明显，运用好这些技术手段对于整个测绘及地理信息产业的发展具有重要的意义。(一)无人机遥感测绘的发展历程及国内外研究现状无人机最早是作为军事训练的靶机而诞生的，之后随着通讯技术以及计算机技术的发展不断的更新换代。在遥感测绘领域的应用最初是以油机为主，此类无人机体积和重量较大，操作以手动为主且难度高。之后随着电池技术的发展，无人机不断的小型化、轻便化，在使用上更加的灵活，操作也更加的简便化、智能化。限制因素的减少使测绘无人机迎来了大发展。无人机平台也由最初的以固定翼为主，发展为多旋翼，直升机、垂起固定翼等多类型平台。在无人机的挂载设备上从开始的普通胶片相机逐步发展到专业的数码相机再到现如今的高光谱传感器和激光雷达。无人机越来越得到测绘行业的认可，通过在无人机上搭载先进的专业化设备，能够极大的拓展航测的领域和范围，在基础地理信息测绘，应急保障、城市规划等多方面都得到了广泛的应用。目前无人机测绘在国内外工程测绘领域有极强的应用，也出现了大量的研究成果。在应对自然灾害，土地资源监测利用以及城市规划等方面积累了丰富的经验。尤其在5G技术发展的背景下，在各国的智慧城市建设过程中，无人机航测有着独特的推动作用。无人机测绘技术能够收集并整合城市的基础设施信息，促进城市的智慧化建设，帮助开展城市管理和社会治理等工作。在具体项目的应用中无人机测绘技术充分展现出了其效率高、范围广、准确性好的特点，推动了整个测绘行业的发展。(二)无人机测绘系统构成测绘无人机系统主要由无人机飞行系统、航摄系统和数据采集与处理系统三个部分组成，每一个部分又包含相应的子系统，是计算机技术、GPS技术、通信技术和数据处理等技术的集合体[1]。飞行系统作为执行测绘任务的载体有多个平台，包括固定翼平台和旋翼平台，固定翼又分为滑跑固定翼和垂直起降固定翼。旋翼平台中除了直升机外还有多轴飞行器及旋翼机。航摄系统由光学传感器，稳定云台和定位系统组成，是进行航测的核心部件。(三)无人机遥感技术需求在全球范围内，国土资源测绘领域对无人机技术的应用需求非常广泛，世界各国都对其进行重点研究，并把其列为未来遥感技术发展的重要方向。随着科技的发展和进步，各个专业和领域对遥感数据的要求不断提高、需求不断增加，但获取数据的方法和手段仍相对欠缺。遥感技术是一项以无人机为空中遥感平台的新型技术，他为了适应这一需要应用而生，所以当务之急是要充分利用无人机遥感技术来获取所需的更加详尽的数据资料[2]。如果把无人机技术运用到工程测绘领域，面对复杂的环境，也能够顺利获得相应区域的影像等数据资料，把目标区域内的真实情况如实反映出来，并可以以三维的形式直观展示出来，有效的提升了测绘工作的科学性和严谨性。二、无人机测绘技术的优势现如今，在很多领域都能看到无人机的身影。在工程测绘中对于无人机的应用可以很好的解决复杂环境下传统仪器测量的弊端，极大的提高了数据的准确性和科学性。随着遥感技术的不断发展，影像获取的清晰度也大大的提高，可以为工程测绘提供更加全面和精确的数据支撑。与传统测绘相比无人机测绘优势明显，主要表现为以下几个方面：(一)极大的提高测绘工作的效率作为一种新型的测绘系统，无人机测绘优势明显，可以在第一时间了解情况并获取第一手的资料，效率非常高。(1)无人机可以实现大范围监测，对于目标区域可以实现长时间，不间断的遥感测绘，通过搭载的高清摄像头可以快速的捕获到监测区域的高清影像信息，极大的提高了测绘的效率。(2)在大面积测绘的基础上，运用先进的多光谱分析技术，可以实现对地表各项信息的综合分析，使数据获取能力得到质的提升，通过三维的实景建模，还可以对所监测区域进行实景展示，为相关部门进行整体的规划提供参考。(3)采集和处理数据的效率高，对高分辨率的影像可以实现快速的信息提取，通过专业的软件实现高效的航飞数据处理。(二)数据精确度高无人机遥感技术作为一种新型技术融合了多种现代科技成就，包括GPS技术，飞行控制技术，无人驾驶技术。通过这些技术的应用使数据的精确性得到了极大的提高。在实际测绘中能够更好地保障测图及数据的精度。(三)测绘成本低无人机技术操作相对的简单，与传统意义上的制图和测绘技术相比较，在实际应用中，无人机技术员经过简单的短期培训即可上岗工作。另外，无人机能够降低费用成本，提高测量和制图的准确性。无人机机型较小、成本费用较低、系统的保养和维修简便。在某些发展较快的城市或地区，旧城频繁改造，变化周期短，若采用传统的工程测量技术，不仅会使费用增加，耗费的时间也会大大增加，所以利用无人机遥感技术大大节约了成本，满足了测绘的需求。(四)应用更加的灵活在如今的社会中，无人机应用很广泛，是因为其设备安装简单、操作容易，另外，无人机能够有较高的灵活度，是因为其体型小、重量轻。在测绘工作的实际操作中，有些地区比较偏远，有些地形复杂，有的气候恶劣，这种情况下如果使用传统的飞机进行测绘记录很容易丢失数据和信息，进而影响到测绘的准确性和工作效率，但因为无人机体积小，可以随意调整方向和角度，如果在这些区域使用无人机，就可以进行更准确的调查，确保最终的工作质量。(五)可以与别的系统结合如果在传统的测绘技术中加入无人机测绘技术，就可以避免单纯使用遥感技术存在的漏洞，从而为无人机遥感发挥其效能提供了保证。另外，还可以与其他的遥感技术相结合，通过取长补短、强强结合，就会极大限度的解决单项遥感测绘在实际工作中出现的问题和不足，为无人机技术的发展创造了更广阔的的平台[3-4]。三、无人机在工程测绘中的应用随着无人机技术的不断进步，其在很多领域中都得到了广泛的应用。相比与传统测绘其在工程测绘领域的优势非常的明显，有极高的发展前景。下面通过具体的工程实例，来对其进行探讨。(一)无人机倾斜摄影测量技术在河道监测中的应用本文以河道测绘工作为实例，在河道构筑物调查及土地资源利用情况工作中应用无人机测绘技术进行探讨。完成整个测绘任务需要分四个步骤实施：测绘数据采集、数据处理、数据生成和数据的利用[5-6]。1.数据采集为了达到要求的数据精度，需要在航飞区域内布设大量的像控点并用仪器测出其坐标点。在飞行过程中需要掌握好飞行高度，通过既定的路线和搭载的航拍设备采集漳河流域河道内构筑物影像资料。(1)规划航线与测绘范围航飞前，必须做好航线的规划与设计，对于测区周围的环境必须有足够的了解。同时还要保障影像有一定的重叠度。在航线规划中，要同时考虑航飞线路与数据采集的关联性，在飞行安全的前提下，确保数据采集的全面和准确。①明确航测范围。利用自带的航测软件，确定测区的范围，对整体的航线进行优化，避免无效的飞行距离。并通过所带的地图服务，查看所飞区域的地形地貌特征，排除影响飞行安全的因素。在此次的飞行任务中，需将所画图斑的建筑物全部纳入航测范围内并外扩50米。②确定航高。按照要求的技术规范，确定需要的影像分辨率，其分辨率和高度成反比。经过现场的实地勘探在保障安全的情况下，设定航飞的高度。③设定重叠度。在重叠度设置中，考虑到所飞行区域内的地形起伏比较大，固应增加重叠度。航向重叠度设为百分之85，旁向重叠度设为百分之六十五。④了解天气状况。在进行无人机航测作业前，要提前了解当时的气候，并对太阳光照强度、云层厚度、风力、风向、空气能见度等进行观察。地面阴影在正中午时最小，太阳光照强度在日出到上午9时左右，15时到日落期间比较弱，而且这个期间太阳高度角较大，还有部分区域可能会遇到雾霾。以上这些情况都可能会造成拍摄到的物体背阳面空三匹配精确度差、亮度不够、纹路模糊不清，从而影响最终的建模效果，甚至影响视觉效果。 (2)控制点布设和测量地面上标志点的布设以油漆或涂料喷涂为主，个别无法喷绘图案的采用人工布设的地面标志，地面的标志应目标明显、定位准确，不易破坏，全区域都以三角点外脚为刺点目标。标志点喷涂时，要选择地面平坦，便于安置GPS三脚架观测。可使用红色或黄色图案，整体尺寸设置在20—50cm。当治导线宽度大于300米时，中间可适当加控制点，中间无法量测控制点时则适度增加俩测控制点密度，如果是宽阔的河流或大型的水库时，后期数据会出现大面积影像落水，计算机无法匹配连接点，责应在一侧治导线左右“之字形”布设相片控制点。像片控制点“一定距离一对点”不要求一定要对称分布，生产中可以按照地面目标情况灵活布设。要提高像控点精度，要特别主意影响像片控制测量精度的主要因素，一是点位目标要准确，目标为直角，周围平坦。二是观测时仪器要对中且静止，观测时间有保障。三是仪器高量取准确。相片控制点平面和高程坐标采用网络RTK进行测定，然后再进行坐标解算。像控点的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当尽量规范、严格、精确。(3)检查点测量检查点测量和像片控制点测量可以同步进行，每对像控点中间加测一个检查点，检查点分布在治导线内的重要地物上。检查点的平面和高程都要求准确，刺点目标和像片控制点要求相同。2.测绘数据处理POS数据记录内容包括影像的编号，影像的曝光时间，绝对高度，经度，纬度以及影像的三个角度。POS数据要进行GPS差分解算、记录数据与影像数据需完全对应，删除起飞和降落阶段的无用POS数据，采用cors站数据解算POS数据。3.生成测绘影像与模型为了确保正射影像的平面精度，数字正射影像的地面分辨率均取倾斜航空摄影的最高分辨率，如航摄地面分辨率为2cm，则数字正射影像地面分辨率取2cm。数字正射影像的生产采用新的生产工艺流程，首先将倾斜空三结果的下视影像EO成果导入PhotoMod等摄影测量软件中：然后将倾斜摄影软件匹配的三维点云数据进行抽稀，并将DEM成果导入至摄影测量软件内，直接进行数字正射影像的纠正[7-8]。用ccmaster进行三维模型的生产，以实际项目中fid10图斑生产作为实例。导入影像和pos点后进行空三运算，之后导入控制点坐标完成刺点后再次进行空三运算。查看精度报告可知控制点的平面中误差为0.006m，高程中误差为0.001m。检查点的平面中误差为0.023m，高程中误差为0.015m。精度报告符合设计规范的要求小于0.05m，由此可用于三维模型的生产。通过此报告可知整个飞行数据的获取以及外业控制点的布设及测量的可靠性，对三维模型的生产具有重要的意义。4.倾斜模型数据利用可利用三维模型进行界桩点成果提取。参考已有界桩点资料或外业调查的界桩点资料，利用三维模型可量测软件。读取三维模型和已有控制点资料，先进行模型精度检查记录，然后进行界桩点坐标的读取。利用三维模型的地形图要素采集。可利用航天远景等实景三维模型测图软件生产1：500地形图，先导入控制点对模型的平面和高程高度进行检查，精度检查合格后进行地形图测量工作，最后转到数据编辑入库软件下进行入库数据处理。采用先内后外的生产工艺。在无人机航测中所用到的技术有很强的应用前景，对于地表物体的获取有极大的优势。通过三维建模可以对所测河道内的建筑物有更直观的呈现，在具体测量过程中通过提取关键点信息，分析出流域内建筑物的分布和土地的使用状态，为整个流域的生态建设以及防洪减灾提供技术支撑和保障。(二)露天矿山开采中无人机航测技术的应用露天矿山一般处于深山野墺之中，具有险峻复杂的地形地貌。利用传统的测量方法，不仅难度比较大，而且效率低，成本高，如何能采用一种比传统办法更高效的测量手段，并把它应用在露天矿山建设、开采、恢复等全过程，是测绘测量工作者梦寐以求的愿望。近几年，随着无人机技术的推广运用，一些矿山探索用新型轻小型无人机进行航测的尝试，取得不错的效果，为矿山测量开辟了新的途径。但是，从现有的成功案例来看，这项技术还基本处在开发阶段，总体上存在技术不够成熟，应用不够广泛的现象，没有发挥出这项新技术、新手段应该发挥的全部优势；没有做到矿山开发全过程中，充分应用无人机航测所获取的宝贵数据资料，并把它应用于露天矿山的资源开发利用以及改善技术管理水平上。1.露天矿山应用轻小型无人机航测的重要意义目前，在从事露天开采的矿山企业，采用轻小型无人机航测技术进行相关测量，在矿山监测、植被调查、矿区测量、尾矿坝监控和矿石方量计量等方面，都有一定建树，取得许多成功的经验。 (1)矿山监测及植被状况的调查研究①矿山的监测。矿山监测领域引进无人机航测技术，显著推动了监测等时效性和有效性。一次测量可以达到5km2以上的面积，效率超出传统方法的数倍，对于一般露天矿山企业来说，只用较少的架次就可基本满足测量需求，节约大量人力物力。应用在对矿区的整体或局部调查，对尾矿坝等各种容易发生安全隐患的区域的监控，对矿区土地的改善情况进行评价，都能够发挥重要的指导作用。在矿区的不同区域，会存在或发生各种原因不同的干扰，测量前就应充分评估这一因素，依据不同的测量目的，来决定选择哪种类型的的无人机传感器，以满足不同测绘任务的需要。而多种性能兼备专业特色的高品质相机，对于实现各种基础信息的分类采集和综合采集，也有比较突出的效果。②关于矿区植被情况的调查。在对矿山植被的生长区域进行调查时，使用无人机，不仅能够发挥轻小型无人机拍摄速度快的先进性能，而且能够缩短完成植被生长区域调查所需要的时间，画定植被的覆盖区域，了解植被的生长状况，评价植被的成活率，如果后期需要对植被覆绿情况进行评价，无人机影像可以提供精确的数据参考。通过图像信息的NDVI提取技术，提取植被指数，并以此为参考绘制出矿山原生植被和后期覆绿的状态图斑，汇总草种树种类别、各自的成活率、生长情况等数据，从而得到植被的变化图斑。然后，对现场的实际测量数据进行综合分析，指导工作。在露天矿山的植被覆绿情况的调查和后续的管理中利用轻小型，不但能使劳动强度大幅度下降，更能显著提高工作效率，并有效地保证了调查质量，强化了矿山植被的监控状况。(2)矿山的地形地貌测量和危险源的辨识①露天矿区的地形地貌测量。在露天矿区，使用无人机对地形地貌进行测绘，能够更直接地显示矿区的全景及局部情况。轻、小型无人机在露天矿区测绘中，应用先进的遥测遥控技术、遥感传感器技术、GPS差分定位技术和通讯技术等，应用自带传感器及处理数据软件，在短时间内，能够获得矿区的三维模型、实际开采情况、等高线分布等，从而实现了矿区的数字化建设以及信息化处理[9]。并且，无人机航测的精确度高，能够清晰的显示地面建筑物，从而满足矿山1∶2000成图要求。②尾矿坝测量及各种危险源的辨识。露天矿山的开采工序因地而异，因人而异，需要根据矿山的实际情况采用相适应的工序流程。但是，由于受到各种主客观因素的制约，制定的工序不会尽善尽美，往往存在着许多安全隐患，滑坡、溃坝、泥石流等灾害都有可能发生。山西代县有丰富的铁矿资源，矿山企业遍布南北山区。在这里，矿山的危险源主要有温度异常区、尾矿坝、不稳定山体、以及粉尘污染等。对于上述危险源的辨识，主要采用高分辨率卫星获取矿区大致的危险区域范围，为分析危险隐患程度等级和制定防灾减灾、抢险应急方案提供数据支持。但大大小小的矿山星罗棋布，具备卫星监测条件的只是少数，而且监测成本高，实现持续监控有难度。露天矿山的高温区探测方面，应用比较普遍的三维激光扫描技术及红外成像技术，基本保证了矿山高温区的探测需要，但也存在探测成本高、效率低的弊端，而且安全程度差。(3)矿山土石方的计量确定露天矿山的矿石方量，是矿山企业的重要工作内容，直接关系到矿山的开采计划、成本控制、工程结算等。在这一方面，轻小型无人机大有可为，为矿石方计量开辟了新的途径。其最大的优点是不受矿山地形的影响，可及时获取指定区域的矿石或矿粉存量，既快捷方便，又有较高可行性。如果与计算机的视觉理论相结合，还可实现矿山的三维模型重建，提高测量效率，降低测量成本。无人机测量矿山矿石方量的方法，不仅可以提高测量效率，保障原矿堆体增减变化的监测精度，还延伸到了工程量计算评估等前瞻性工作，有效地满足了矿石方量的计算要求。2.露天矿山应用轻小型无人机航测的不足和存在的问题(1)电池续航能力不足的问题。轻小型无人机的自身特点，决定了无人机的承重能力小，携带电池数量少，而且目前使用的电池储存的电量有限，如普遍采用的锂聚合物电池，续航能力仅能维持1h左右，对于较大面积的矿山来说，要达到一次安全覆盖的航测要求，难度很大。实际操作中，需要多架次、多路线的重复动作，加大航测的工作量。而且航测路线的部分重叠，也增加了测量精度的误差，造成了航测器材的浪费。(2)测量精准度的控制问题。在露天矿山测量中，轻小型无人机的航测精度受多种因素的影响。这些因素主要包括：已获影像的清晰度、遥感传感器的类型、像控点的合理布置等。因为露天矿区的开采区域情况复杂，环境变化大，布置和设定控制点需要格外认真，同时，还需重视环境以及车辆带来的干扰波对测量的影响，防止干扰波扰乱所获取图像、信息的精确度，杜绝和纠正因图像信息误差对后期存储量计算和生产指挥调度产生的偏差。影响航测精度的另外一个重要因素是传感器类型以及其灵敏度的高低，所以精准选择传感器类型，就显得十分重要。另外，数码照相机、三维激光扫描仪以及激光雷达等设备的选取，也要依据矿山测量的目的进行分析、选择。必要时，要综合应用两种以上不同特性的传感器，因为无人机航测实践中，使用单一传感器的效果往往达不到预期目标。(3)测量数据的筛选处理问题。当前，轻小型无人机有多种航测平台，各自需要配套专用软件和硬件系统。因而存在测量数据和处理软件相互不兼容或兼容性差的问题。所以在数据的分析处理中，经常需要做到数据的分类输入，从而造成数据处理过程中工作量大，操作繁琐，耗费时间长，专业要求高等现象。怎么做到有效统一，使数据输入输出的过程和标准得到简化，是考验相关专业人员处理航测数据的能力与水平的重要课题。3.轻小型无人机应用于露天矿山航测的前景展望(1)露台矿区勘测和规划。把无人机测绘技术运用在风险性大存在安全隐患的区域，是目前无人机得到广泛应用的一个领域。充分利用发挥了无人机测量的高效率、低成本的特性。在实际操作时可以用固定翼无人机挂载遥感设备，通过少量架次的航飞作业就可以完成矿区及周围附属设施的测绘。再经过一定的数据处理，即可快速地得到所测区域的实景三维模型和地形图，为制定露天矿山的的开发利用以及生态修复提供必要的数据资料。(2)矿山生产计划编制和现场管理。采用轻小型无人机航测技术，可以实现露天矿山的整体三维建模，整个矿区的实景全貌清晰可见，通过及时更新，随时为编制生产计划和管理施工现场提供数据和技术支持。还可以随时了解掌握矿区的采矿场现状，对开采平台的位置、开采范围以及空间关系等了如指掌，亦对矿区道路通行、尾矿场的动态变化了然于心。还可以按照工作计划和实际需要，实施对重点区域的高精度航测，保证长期生产计划的有效实施和短期配矿措施得以落实。同时，通过无人机测绘取得的数据还可以用来指导施工现场的调度与管理，例如规划和设计矿山的临时道路、检查和督促生产计划的执行、了解各作业平台的计量管理等，使作业现场更好地落实生产计划、合理地调度机械设备，有条不紊地完成工序流程，让现场管理决策更加科学化、合理化。(3)异常地形的测量和工程计量。露天矿山地处山区，矿区范围内，既有地形复杂的区域，也有存在安全隐患的区域。例如沟壑峰岭、塌陷地带、地下暗河等区域，便可选择无人机航测方案进行高精度的测量，快速精准地获取复杂地形区域、危险隐患区域的地形数据，生成该特殊区域的三维数字模型，为实施针对性的处置措施提供保证。在矿山工程计量方面，使用轻小型无人机航测系统，可以在短时内精准地完成工程量的圈定与计量，有效优化工作环境，提高工作效率[10]。4、矿山的安全监管。轻小型无人机的航测技术优势，体现在效率高、精度高、性价比高三方面，在矿山监管中具有不可替代的作用。特别是不需要工作人员冒险进入危险区，就可以通过无人机航测获得危险区域的地形地貌信息，远程勘察和分析复杂区域或危险地域的险情状况，而且测量数据具有清晰的可视性，这就为科学研究对策、合理制定方案打下了基础。另外，借助高效率、高精度的无人机航测手段对尾矿坝实施监控，及时了解发现尾矿场的堆积形态、范围变化等动态信息，及时预防溃坝等严重事故的发生。同时，还可经过对尾矿场进行定期的间歇性航测，进行多期航测结果的比对，分析尾矿场形态变化与发展趋势，对尾矿坝可能发生的溃坝滑塌等安全隐患实行监控与预警。5、生态环境的监控和闭坑管理。矿山开发运营的全过程，都需要应用无人机航测技术来进行生态环境的监控，获取勘察数据，指导环境保护方案和保护措施的制定，及时发现和处置生态环境的消极影响。随着国家关于建设绿色矿山政策的深入推进，复垦复绿逐步成为矿山企业必须坚持的一项重要工作。特别在生产和闭坑阶