基于無(wú)人機(jī)和全景技術(shù)的“空-地”聯(lián)合公路設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查方法

相詩(shī)堯，徐 潤(rùn)，張 濤，郭長(zhǎng)順，趙慶濤

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心，山東 濟(jì)南 250031）

引言

公路工程具有線長(zhǎng)、點(diǎn)多、面廣的特點(diǎn)，詳細(xì)的外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)對(duì)于方案確定和優(yōu)化，以及減少后期變更等具有重要作用[1-2]。對(duì)于新建公路而言，路線設(shè)計(jì)難免要經(jīng)過(guò)山區(qū)、河流等地形復(fù)雜區(qū)域，這些區(qū)域交通不便，人員到達(dá)困難，同時(shí)，由于野外環(huán)境復(fù)雜，外業(yè)調(diào)查較難做到準(zhǔn)確、詳盡[3]。

1 便攜式無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

便攜式無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)是指小型化的多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，通常為四旋翼無(wú)人機(jī)，并具有體型小、重量輕、易操作、便于攜帶的特點(diǎn)，通過(guò)該無(wú)人機(jī)可以完成視頻、照片拍攝的需求，能夠在空中獲取工程區(qū)域大范圍的實(shí)景照片及視頻資料[4]，作為方案設(shè)計(jì)、方案論證的有力數(shù)據(jù)支撐，該方法可代替人工進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，達(dá)到作業(yè)安全、高效的目的。在機(jī)型選擇中，將大疆御2 Pro無(wú)人機(jī)作為首選機(jī)型，圖1所示為該款無(wú)人機(jī)重量?jī)H為907 g，并且可以折疊，便于外業(yè)攜帶，相機(jī)像素為2 000萬(wàn)，拍攝畫面清晰，同時(shí)系統(tǒng)具備避障功能，可以減少?gòu)?fù)雜環(huán)境中操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)

便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)是我公司自主研發(fā)的外業(yè)調(diào)查軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)，包括外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化管理平臺(tái)。采集系統(tǒng)集成了全景相機(jī)、高精度定位模塊、工業(yè)級(jí)測(cè)量平板和外業(yè)調(diào)查APP軟件，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)調(diào)查屬性信息、全景照片、視頻、音頻和手繪圖等外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取，采集系統(tǒng)見圖2。三維可視化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了所采集外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的三維可視化管理，集成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能。

圖1 大疆御2 Pro無(wú)人機(jī)

圖2 外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的便攜式無(wú)人機(jī)航測(cè)方法

通過(guò)便攜式無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)能夠由空中視角完成對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)景數(shù)據(jù)的采集，針對(duì)不同需求和應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了不同的數(shù)據(jù)獲取方法，可分為路線整體方案外業(yè)調(diào)查應(yīng)用、交通流量調(diào)查應(yīng)用和重要工點(diǎn)現(xiàn)狀外業(yè)調(diào)查應(yīng)用。

3.1.1 路線整體方案外業(yè)調(diào)查應(yīng)用

對(duì)于公路工程而言，設(shè)計(jì)里程往往達(dá)到幾十公里至幾百公里，通過(guò)手控?zé)o人機(jī)方式獲取全路線的外業(yè)調(diào)查資料將耗費(fèi)大量時(shí)間，并易出現(xiàn)無(wú)人機(jī)拍攝時(shí)偏離設(shè)計(jì)線位的情況；同時(shí)，由于公路工程長(zhǎng)線型的特點(diǎn)，手控?zé)o人機(jī)航拍方式容易出現(xiàn)無(wú)人機(jī)超出視野范圍等情況，存在安全隱患。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)跟隨設(shè)計(jì)線位自主航拍的方法。首先將投影坐標(biāo)的設(shè)計(jì)線位轉(zhuǎn)換為WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)的*.kml格式的航線文件，然后根據(jù)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，將航線按照5～6 km分段，并根據(jù)劃定的飛行航線選擇合適的起飛點(diǎn)，最后設(shè)定飛行參數(shù)，由地面站控制軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主航拍，從而獲取公路全線的視頻資料。采用該方法既能保證作業(yè)安全，又可提高效率，單人單機(jī)每天能夠完成40 km視頻資料的采集任務(wù)，所獲取的視頻資料可用于線位合理性驗(yàn)證、地表附著物調(diào)查、方案匯報(bào)、征地拆遷爭(zhēng)議處理等方面，見圖3獲取的視頻截圖。

3.1.2 交通流量調(diào)查應(yīng)用

準(zhǔn)確獲取交通流量現(xiàn)狀信息，對(duì)于方案規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。為了更加靈活、準(zhǔn)確地獲取交通流量信息，可根據(jù)需求，將無(wú)人機(jī)懸停在需要獲知交通流量的路口或者道路上方，調(diào)整鏡頭角度，使其垂直拍攝，見圖4，進(jìn)而可以獲取實(shí)時(shí)的交通流量數(shù)據(jù)。通過(guò)該方式，可以靈活地選擇拍攝地點(diǎn)以及拍攝時(shí)間，由于無(wú)人機(jī)鏡頭收錄范圍廣，可全面地記錄道路整體交通狀況，利于設(shè)計(jì)方案論證。

圖3 無(wú)人機(jī)航拍視頻

圖4 無(wú)人機(jī)交通流量調(diào)查

3.1.3 重要工點(diǎn)現(xiàn)狀外業(yè)調(diào)查應(yīng)用

重要工點(diǎn)區(qū)域，地物之間的距離以及相互關(guān)系等對(duì)于確定設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要，便攜式無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以用于小區(qū)域的正射影像獲取。實(shí)際操作時(shí)，需要在工程區(qū)域內(nèi)布設(shè)像控點(diǎn)，以控制最終成果的精度，并通過(guò)無(wú)人機(jī)地面站軟件完成航線規(guī)劃及參數(shù)設(shè)定，無(wú)人機(jī)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)完成自主航測(cè)并獲取多張高重疊度的航片，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)空三加密、DSM構(gòu)建、影像鑲嵌等處理可以獲取該區(qū)域的正射影像數(shù)據(jù)[5-6]。圖5為獲取的某區(qū)域的正射影像圖，通過(guò)該圖可以詳細(xì)地確定出各類地物之間的空間位置關(guān)系，便于重要工點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)。

3.2 便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)道路外業(yè)調(diào)查方法

在自主研發(fā)的便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)中，可以將道路設(shè)計(jì)線位、已有的基礎(chǔ)地形圖、影像圖在外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查APP軟件中疊加顯示，并通過(guò)實(shí)時(shí)差分定位模塊獲取高精度定位信息，實(shí)現(xiàn)了依托數(shù)字化的基礎(chǔ)資料和高精實(shí)時(shí)定位的外業(yè)調(diào)查。在重要的外業(yè)調(diào)查點(diǎn)處，可利用集成的全景相機(jī)獲取4K高清全景照片，全景照片在機(jī)內(nèi)完成拼接合成，節(jié)約了照片后期拼接處理的時(shí)間，通過(guò)相機(jī)中配置的陀螺定向系統(tǒng)，可以獲取全景照片準(zhǔn)確的方位信息，見圖6。

圖5 正射影像

圖6 移動(dòng)端全景影像瀏覽界面

同時(shí)，在外業(yè)調(diào)查APP中可以自由配置各類外業(yè)調(diào)查表格，實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查內(nèi)容的電子化錄入，并 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音自動(dòng)識(shí)別錄入功能以及繪圖圖庫(kù)，提高信息錄入效率，圖7為外業(yè)調(diào)查信息錄入界面。通過(guò)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集裝置，最終可以獲取外業(yè)調(diào)查點(diǎn)的高精度位置信息，以及在該點(diǎn)處所拍攝的全景影像、視頻音頻資料、詳細(xì)的外業(yè)調(diào)查表單、手繪圖資料等數(shù)據(jù)。最終，由外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化管理平臺(tái)完成數(shù)據(jù)管理，在平臺(tái)系統(tǒng)中，外業(yè)調(diào)查點(diǎn)根據(jù)類型劃分，以不同的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的形式展現(xiàn)在三維場(chǎng)景中，并掛接了對(duì)應(yīng)的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)。通過(guò)點(diǎn)擊圖標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)瀏覽，圖8展示了平臺(tái)的全景影像瀏覽功能。系統(tǒng)還具有自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能，可對(duì)各類外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類和統(tǒng)計(jì)，一鍵導(dǎo)出各類外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，提高了數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)的效率。

圖7 外業(yè)調(diào)查信息錄入界面

圖8 外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化管理平臺(tái)全景影像瀏覽界面

4 結(jié)語(yǔ)

“空-地”聯(lián)合公路設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查方法充分運(yùn)用了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)和自主研發(fā)的全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)，可為公路設(shè)計(jì)提供更加全面、準(zhǔn)確、豐富的數(shù)字化外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升外業(yè)調(diào)查質(zhì)量和效率。