李發(fā)升

（南通市測繪院有限公司，江蘇 南通 226000）

1 引言

在步入工業(yè)4.0時代后，信息化、數(shù)字化、科技化成為我國工程領(lǐng)域變革發(fā)展的主要方向。結(jié)合國內(nèi)外研究成果及行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀來看，現(xiàn)代工程測繪領(lǐng)域已涌現(xiàn)出了大量的新技術(shù)和新工具，如遙感技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、三維建模技術(shù)等。這些技術(shù)能夠從空間定位、影像采集、圖像繪制等角度出發(fā)，在突破傳統(tǒng)人工限制、淡化傳統(tǒng)人為風(fēng)險的基礎(chǔ)上，賦予測量信息、測繪成果以更高的利用價值，從而實現(xiàn)工程測量綜合效益的大幅度提升?；诖?，有必要對現(xiàn)代測繪技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用路徑展開探究。

2 工程測量中現(xiàn)代測繪技術(shù)應(yīng)用的基本思路

在工程測量中，可以全面提升測量效率與測量效果為導(dǎo)向，實現(xiàn)多種現(xiàn)代測繪手段、測繪工具的綜合運用，并具體分為“測”與“繪”兩個方面。在“測”的過程中，可運用無人機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、遙感技術(shù)對現(xiàn)實場景的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面化、精細(xì)化采集。

在現(xiàn)階段的工程測量中，無人機(jī)航攝是一種應(yīng)用廣泛、功能全面的新技術(shù)類型。在實際應(yīng)用中，無人機(jī)能夠為工程測量提供移動靈活、操控自如的工具載體，可滿足不同高度、不同角度的數(shù)據(jù)信息采集需求。在此基礎(chǔ)上，無人機(jī)設(shè)備可通過搭載多種設(shè)備裝置實現(xiàn)測量功能的拓展與強(qiáng)化。例如，在搭載衛(wèi)星定位設(shè)備后，無人機(jī)可通過信號接收裝置與衛(wèi)星之間的交互通信，實現(xiàn)各測量點坐標(biāo)參數(shù)的確定。在搭載高精度攝像機(jī)、光學(xué)掃描儀、電磁傳感器等傳感設(shè)備后，無人機(jī)可對測量對象的多種信息進(jìn)行采集與記錄。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，可將無人機(jī)航攝獲取到的工程測量信息導(dǎo)入信息化測繪軟件，進(jìn)而實現(xiàn)工程測量結(jié)果的生成與進(jìn)一步應(yīng)用。

本文以某海邊偏遠(yuǎn)地區(qū)的房屋建筑工程為例，分析現(xiàn)代測繪技術(shù)中的無人機(jī)航攝技術(shù)的應(yīng)用。

工程測量思路為：首先，對房屋建筑工程的現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)查分析，并做好測量范圍選取、測量航線設(shè)計、設(shè)備設(shè)施配置調(diào)試等工作。然后，按照預(yù)設(shè)的測量航線、測量角度、測量高度及布點機(jī)制，操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行移動作業(yè)，并通過無人機(jī)搭載的GPS定位器、遙測傳感器進(jìn)行圖像、空間、坐標(biāo)等現(xiàn)實信息的采集獲取。最后，將實測信息輸入BIM建模軟件，進(jìn)行房屋建筑及周圍環(huán)境三維模型的立體化繪制，并據(jù)此開展后續(xù)的圖像處理與工程分析工作[1]。BIM建模軟件可根據(jù)多維度的實測數(shù)據(jù)生成數(shù)字化、立體化的仿真模型，進(jìn)而將房建工程場景如實呈現(xiàn)在計算機(jī)虛擬環(huán)境中。

3 工程測量中現(xiàn)代測繪技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的技術(shù)把控

在正式開展基于現(xiàn)代測繪技術(shù)的工程測量工作之前，需要做好多方面的準(zhǔn)備工作。具體如下：

首先，需要對工程測量區(qū)域進(jìn)行前期調(diào)查分析。一方面，應(yīng)對測量區(qū)域的基本情況進(jìn)行全面的了解，如測區(qū)范圍、分區(qū)結(jié)構(gòu)、設(shè)施分布等，從而為無人機(jī)航區(qū)、航線、測點等方面的規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)基礎(chǔ)。另一方面，應(yīng)掌握測量區(qū)域的環(huán)境現(xiàn)狀、氣候條件，并對工程測量周期內(nèi)的氣象變化進(jìn)行提前預(yù)知。做好這一方面的準(zhǔn)備工作，無論是對于無人機(jī)選型而言，還是對于航攝參數(shù)、測量方案的編制設(shè)置而言，都有著基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性的支持作用。

其次，在測量區(qū)域調(diào)查分析工作結(jié)束后，需要依據(jù)相關(guān)結(jié)果選擇測量設(shè)備。選擇時，應(yīng)把控好以下幾點：（1）無人機(jī)材質(zhì)的選擇。若為應(yīng)急性工程測量，或測量成本相對有限，可使用木質(zhì)無人機(jī)進(jìn)行測量作業(yè)。若工程測量環(huán)境相對惡劣，存在高海拔、大風(fēng)力等情況，則應(yīng)選擇碳纖維、玻璃鋼等強(qiáng)材質(zhì)的無人機(jī)設(shè)備，以確保測量作業(yè)的安全性與穩(wěn)定性。由于案例工程地處海邊困難地區(qū)，所以，選擇碳纖維無人機(jī)作為航攝設(shè)備；（2）無人機(jī)載重性能的選擇。通常情況下，無人機(jī)載質(zhì)量為6~10 kg，可滿足定位器、攝影機(jī)等設(shè)備裝置的搭載需求。但由于案例工程處于海邊困難地區(qū)（交通不便，風(fēng)力影響大），故而將無人機(jī)的設(shè)計載重量提升至15 kg，以應(yīng)對特殊的環(huán)境影響；（3）電源、油箱的選擇。一般來講，無人機(jī)的單次工程作業(yè)時間在2~3 h，機(jī)載電源、機(jī)載油箱必須滿足該時長區(qū)間的供能要求，以保證無人機(jī)能源消耗與能源補(bǔ)充的可靠性；（4）無人機(jī)飛行穩(wěn)定性與操控可靠性的檢驗。選擇無人機(jī)設(shè)備時，應(yīng)保證無人機(jī)在航攝操控中持續(xù)做到飛行平穩(wěn)、航線規(guī)范，航線、高度、速度偏差應(yīng)小于5%，水平偏差應(yīng)小于3%；（5）機(jī)載設(shè)備裝置的選擇。在GPS定位器方面，無人機(jī)飛行定位的垂直誤差、水平誤差應(yīng)分別小于0.5 m、1.0 m，無人機(jī)機(jī)器視覺定位的垂直誤差、水平誤差應(yīng)分別小于0.1 m、0.3 m。在影像傳感器方面，為了獲取高精度的測量信息，案例工程選擇CCD分辨率為2 000×3 000的航拍攝影機(jī)。同時，將影像信息采集的平面精度控制在0.2~0.5μm，以免像素點結(jié)構(gòu)偏差對后期測繪效果產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，以保證測量信息的畫面質(zhì)量與獲取連續(xù)性為目的，還應(yīng)對傳感器的感光度、快門速度、曝光間隔、工作溫度等選擇指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格把控。一般來講，快門速度以高于1/1 000 s為宜，曝光間隔應(yīng)約為3 s，感光度處在100~200區(qū)間內(nèi)即可。在快速飛行、高空作業(yè)的背景下，傳感器應(yīng)具備良好的耐寒性，因此，應(yīng)保證其在-20~50℃的環(huán)境中穩(wěn)定運行[2]。

最后，需要對無人機(jī)的測量作業(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并做好測點、測區(qū)的布控工作。在參數(shù)設(shè)置方面，可將無人機(jī)飛行速度控制在80~120 km/h，既能防止航速過快影響測量信息的采集質(zhì)量，又能避免無人機(jī)因航速過慢而產(chǎn)生姿態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合房屋建筑工程測量區(qū)域的調(diào)查結(jié)果，對航向、航線、飛行高度、測區(qū)邊界進(jìn)行針對性設(shè)置。完成作業(yè)參數(shù)設(shè)置后，應(yīng)對測量區(qū)最小地面分辨率與最高點重疊度進(jìn)行計算，公式為：

進(jìn)行測點、測區(qū)的布控時，按照4×4的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，為了提高測量精度、豐富測量數(shù)據(jù)，還可在網(wǎng)格內(nèi)自由設(shè)置多個檢查點、精測點。

3.2 航攝測量環(huán)節(jié)的技術(shù)把控

圖1 航攝作業(yè)基本流程

在完成飛行計劃制訂、飛行參數(shù)設(shè)置、設(shè)備裝置調(diào)試檢查等工作后，即可開展正式的航測作業(yè)。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，需要按照高度、航向、航速、測區(qū)等已制訂的飛行計劃內(nèi)容，操控?zé)o人機(jī)設(shè)備進(jìn)行飛行航攝。在此過程中，應(yīng)依托基站監(jiān)控系統(tǒng)對無人機(jī)的飛行軌跡、飛行高度、傾斜角度、能耗情況等信息進(jìn)行密切關(guān)注，并對動態(tài)傳回的空間坐標(biāo)信息、平面影像信息、光譜掃描信息進(jìn)行提取查看，若發(fā)現(xiàn)無人機(jī)設(shè)備存在飛行異常，或測量信息存在定位不準(zhǔn)、影像模糊等問題，應(yīng)及時停止測量作業(yè)，并對相關(guān)設(shè)備裝置的運行參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)及硬件情況進(jìn)行全面檢查與調(diào)試維修。檢修完成且確保無人機(jī)及機(jī)載設(shè)備性能完全恢復(fù)后，需要先進(jìn)行小范圍的試飛與試測。試驗結(jié)果達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)后，方可繼續(xù)投入測量作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，如果無人機(jī)航攝連續(xù)性不佳，或前期飛行計劃、測點布控缺乏合理性，將有可能引發(fā)“孤島化”的測量信息采集問題，常見表現(xiàn)包括相鄰坐標(biāo)點位移過大、實測影像重疊度過小等。此時，為了提高圖像、模型的后期繪制質(zhì)量，保證工程測量結(jié)果的可靠性與完整性，還需要進(jìn)行補(bǔ)飛處理。補(bǔ)飛時，無須完全按照原方案開展航攝作業(yè)，僅需以具體的“孤島化”信息為準(zhǔn)，對其所處的測點區(qū)間、測量區(qū)域?qū)嵤┬畔⒉杉纯?。外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作基本完成后，需要基于不同測點的基礎(chǔ)信息，對多視點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)處理。

處理完成后，需要剔除部分精度低、偏移大、質(zhì)量差或冗余性的測量信息，并運用數(shù)字化手段對數(shù)據(jù)信息實施預(yù)處理，通常處理環(huán)節(jié)包括勻光處理、均色處理、噪點過濾、影像鑲嵌、影像糾正等。預(yù)處理結(jié)束后，便可將工程測量信息輸入到BIM軟件當(dāng)中，實現(xiàn)模型圖像的繪制生成。

3.3 圖像繪制環(huán)節(jié)的技術(shù)把控

在圖像繪制環(huán)節(jié)，BIM軟件首先會基于內(nèi)置的數(shù)據(jù)信息處理模塊，對已輸入的工程測量信息實施再處理，主要包括分類整理、濾波加工、圖形修整等。在此基礎(chǔ)上，軟件建模平臺便可依據(jù)大量的定位、圖像、控制線等信息，自動生成初步的三維仿真模型。其后，相關(guān)人員便可根據(jù)工程基礎(chǔ)資料、前期調(diào)查結(jié)果與無人機(jī)采集影像，對建模參數(shù)實施進(jìn)一步的精確調(diào)節(jié)，從而獲得與真實場景高度一致的測繪模型。最后，一方面可將立體三維模型、多視圖平面模型導(dǎo)出，以此作為重要的工程建設(shè)資料。另一方面，也可進(jìn)一步運用BIM軟件平臺中的碰撞測試、虛擬漫游、人行模擬、趨勢預(yù)測等模塊，對模型內(nèi)容進(jìn)行深層次的處理與應(yīng)用[3]。

3.4 無人機(jī)航攝技術(shù)的應(yīng)用分析

在案例工程中，無人機(jī)航攝測繪技術(shù)主要有如下優(yōu)勢：

1）傳統(tǒng)人工測繪會受到人為因素的限制，存在測量效率低、測繪耗時長、測繪精度不穩(wěn)定等問題。在應(yīng)用無人機(jī)航攝技術(shù)后，此類問題得到了有效解決。一方面，無人機(jī)設(shè)備在搭載影像傳感器后，可對真實工程場景影像進(jìn)行快速、連續(xù)、高精度的拍攝采集，從根本上保證了測量的效率與精度。在此基礎(chǔ)上，由于測繪圖像采用數(shù)字化生成方式，所以，能省去大量的人工繪圖時間，并大幅度提升繪制成果對真實場景的復(fù)現(xiàn)性。另一方面，無人機(jī)飛行時速高達(dá)80~120 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工作業(yè)，進(jìn)一步實現(xiàn)了提高效率、縮短工期的測繪效果。

2）案例工程地處復(fù)雜地區(qū)，環(huán)境基礎(chǔ)條件相對惡劣，若長時間開展人工測繪作業(yè)，將形成一定的安全隱患。相比之下，無人機(jī)設(shè)備具有絕對性的材質(zhì)性能優(yōu)勢，可滿足高空、高寒、高壓等苛刻環(huán)境下的作業(yè)需求。這既有助于提升工程測繪的完整性，也有助于實現(xiàn)測繪風(fēng)險的有效規(guī)避。

3）傳統(tǒng)工程測繪成果以平面圖為主，難以滿足動態(tài)化、前瞻化的工程資料應(yīng)用需求。相比之下，以無人機(jī)航攝為來源、以BIM建模為手段的測繪成果更具立體性與實用性，能夠為測繪資料的深層次、多元化應(yīng)用提供有力支持。

4 結(jié)論

綜上所述，將無人機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、BIM技術(shù)等現(xiàn)代測繪技術(shù)應(yīng)用到工程測量當(dāng)中，能夠達(dá)到高水平的“技術(shù)賦能”效果，全方位、深層次地促成工程測量作業(yè)的模式優(yōu)化與質(zhì)量提升。但需要注意的是，現(xiàn)代測繪技術(shù)對設(shè)備工具有著較高的依賴性，在開展相關(guān)工程測量作業(yè)時，必須要做好無人機(jī)、傳感器、定位器、建模平臺等工具的類型選擇與參數(shù)設(shè)置，既要保證設(shè)備工具的技術(shù)功能滿足測量需求，也要充分與測量區(qū)域的環(huán)境情況相適應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)做好流程規(guī)劃、控點布置、數(shù)據(jù)處理等工作，以確保最大化地提高測量信息的完整性、精確性，實現(xiàn)現(xiàn)代測繪技術(shù)價值的最大化發(fā)揮，進(jìn)而為后續(xù)工程作業(yè)提供優(yōu)質(zhì)、可靠的依據(jù)基礎(chǔ)。