無人機(jī)攝影測量技術(shù)在公路工程勘測中的應(yīng)用

徐海鋒

（桂林市匯通路橋勘察設(shè)計有限公司，廣西 桂林 541002）

當(dāng)下，人們大多利用傳統(tǒng)測繪及常規(guī)航空攝影測量手段獲取與線路勘測相關(guān)的地理信息，測繪階段需要投入大量的人力資源，有勞動力強(qiáng)、測繪工期長、部分危險區(qū)段勘測難度大等不足。而常規(guī)航空攝影測量盡管能快速獲取高分辨率的數(shù)據(jù)，較好地滿足工程測繪提出的要求，但實(shí)踐中的許多客觀因素會影響測量成本，且在短距離、設(shè)計級別偏低的項目內(nèi)適用性偏低。UAV 是近些年研發(fā)的高端測量技術(shù)，當(dāng)下在國內(nèi)林業(yè)、農(nóng)業(yè)測繪等領(lǐng)域中均有應(yīng)用，成效較好[1]。筆者主要探究其在公路工程勘測實(shí)踐中的應(yīng)用情況。

1 無人機(jī)攝影技術(shù)分析

該項技術(shù)的應(yīng)用階段將自動駕駛飛機(jī)設(shè)為平臺，傳感器選用高分辨率數(shù)碼相機(jī)，在系統(tǒng)內(nèi)集成應(yīng)用3S 技術(shù)（遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)），捕獲數(shù)字影像。UAV具有操作流程便捷、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉、分辨率高及工期短等優(yōu)勢。與傳統(tǒng)航空攝影測量相比，UAV 的特征主要表現(xiàn)在6 個方面[2]。1）能較為快速、順利地獲取空域申請，省略了調(diào)試設(shè)備及協(xié)調(diào)機(jī)場運(yùn)作的環(huán)節(jié)。2）不需要在機(jī)場升降，選用一段凈空條件較優(yōu)良的順直公路或草坪就能達(dá)成升降目標(biāo)。3）適用于低空作業(yè)條件，完成云下拍攝任務(wù)，未對氣候條件提出較嚴(yán)格的要求。4）系統(tǒng)集成性處于較高水平，機(jī)動性較強(qiáng)，轉(zhuǎn)場操作過程較便捷。5）由于飛行高程偏低，因此能精確捕獲1 ∶ 2 000～1 ∶ 500 間的影像。6）搭建平臺構(gòu)建、維護(hù)系統(tǒng)及飛行階段的耗用資金較少。

2 項目概況

擬建項目位于陽朔縣興坪鎮(zhèn)，路線起點(diǎn)K0+000 處于山背洞村周邊，途經(jīng)沖村和龍山、排竹山，終點(diǎn)K6+641.671 坐落于興坪鎮(zhèn)北郊書家堡村附近，路線全長6. 641671 ㎞。擬選擇二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

勘測資料表明，陽朔縣境內(nèi)河流屬珠江流域西江水系，項目建設(shè)期間未占用庫區(qū)，在興坪圩北側(cè)整合并流至漓江。全長為26.7 ㎞，流域面積129.223 km2，水深0.5 m～0.8 m，流速0.4 m/s，枯水流量2 m2/s～2.5 m2/s，洪水流量50 m2/s～60 m2/s。

為了同步提升測試的準(zhǔn)確度與工作效率，路線規(guī)劃設(shè)計選用了計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)，依照航測專用地形圖選擇路線，連續(xù)完善路線線型。聯(lián)合使用RTK（載波相位差分技術(shù)）和全站儀實(shí)地放線測量，依照地形實(shí)況做出調(diào)整，利用全站儀測量橫斷面所有的相關(guān)指標(biāo)。全線的設(shè)計圖表全部采用AutoCAD、Word 及Excel 等軟件編制完成，計算機(jī)輔助設(shè)計覆蓋面達(dá)100%，有益于推動設(shè)計進(jìn)度并優(yōu)化設(shè)計文件的質(zhì)量。

3 無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用要分析

3.1 航線設(shè)計

無人機(jī)在進(jìn)行航空攝影的過程中，航線設(shè)計需要分段設(shè)置6 個平高點(diǎn)位置。為了避免攝影過程中其區(qū)域高差太大，盡量維持在航1/6 的范圍內(nèi)，確保測量區(qū)域內(nèi)有一定的交叉，這樣也便于對地形進(jìn)行測量。

3.2 航空攝影

在進(jìn)行無人機(jī)航空攝影的過程中，地形需要盡可能地選擇地表植被覆蓋少或表植覆蓋對于地形不會有太大影響的位置，拍攝時需要盡量避免在惡劣氣候條件下拍攝。同時，需要根據(jù)拍攝地形的不同，按照拍攝要求的太陽高度角做好拍攝工作。

4 公路工程勘測階段UAV的應(yīng)用實(shí)踐

4.1 測量準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作是否全面、準(zhǔn)確，直接關(guān)系著UAV 攝影測量任務(wù)是否能順利完成。在該項目勘測階段，UAV 準(zhǔn)備主要涵蓋3 點(diǎn)內(nèi)容。1）規(guī)劃適宜的攝影測量方案。2）檢查設(shè)備設(shè)施性能指標(biāo)。3）校準(zhǔn)相機(jī)。

在擬編攝影測量方案階段，擬定以公路線位和衛(wèi)星圖重疊狀況作為該次測量任務(wù)覆蓋的主要范疇，明確測區(qū)中的地形及交通狀況。通過周密性的現(xiàn)場勘查活動，明確測量范圍內(nèi)是否存在軍事場所、空中管制等特殊狀況。東西窄、南北長、呈火炬狀等是該測區(qū)的地形特征，地勢相對平坦，由西北向東南有一定傾斜，形成了東西向分水嶺。K0+000 ～K3+150、K3+150 ～K6+641.671 依次屬于碳酸鹽巖峰叢臺地地貌、溶蝕平原地貌。結(jié)合以上工作期間產(chǎn)出的結(jié)果，擬定選用無人機(jī)起飛、降落場地，并科學(xué)預(yù)測測量階段形成的問題，擬定相匹配的應(yīng)急預(yù)案。

4.2 規(guī)劃無人機(jī)攝影測量航線

在完成以上準(zhǔn)備工作后，便進(jìn)入規(guī)劃航線工序中。

首先，明確設(shè)定地面分辨率，具體是以不同比例尺條件下的成圖標(biāo)準(zhǔn)要求為依據(jù)，依照測區(qū)地形、等高距以及基高比等指標(biāo)，在確認(rèn)符合準(zhǔn)確度要求的基礎(chǔ)上，比較不同分辨率在減縮測量時間、降低成本費(fèi)用方面的貢獻(xiàn)率，通常將其設(shè)定為優(yōu)先選擇的目標(biāo)對象。既往資料記載[3]，當(dāng)測圖比例尺為1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶ 2 000 以及1 ∶5 000時，對應(yīng)的地面分辨率分別是不大于5 cm、8 cm～10 cm、15 cm～20 cm 和18 cm～25 cm。在分析相關(guān)規(guī)范要求后，基于該項目地勢較平坦、對高程準(zhǔn)確度提出較嚴(yán)格要求的實(shí)際情況，為獲得精確度更高的攝像圖，擬定選用6 cm 地面分辨率。

其次，對測區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，與傳統(tǒng)攝影測量相比，無人機(jī)續(xù)航時間偏短，形成的像幅較窄小，這決定了單臺無人機(jī)運(yùn)作階段的測量范疇還是會受到一定局限。由于該公路線位偏長，所以必須進(jìn)行科學(xué)分區(qū)。分區(qū)階段，應(yīng)遵守3 條規(guī)則[4]。1）路線走向與航線布設(shè)維持統(tǒng)一，將實(shí)際偏差調(diào)控在允許范疇內(nèi)。2）將各分區(qū)內(nèi)地形高程差調(diào)控在航高1/h 以內(nèi)。3）在確保航線是純直線后，盡量拓展分區(qū)跨度，以拓展覆蓋面積。

最后，將該公路工程測區(qū)細(xì)分為15 個分區(qū)，航向覆蓋逾越測區(qū)邊緣線應(yīng)大于5 條基線，測向覆蓋逾越測區(qū)邊緣線像幅要大于50%。因為該項目測區(qū)中地勢起伏波動不大，最大高程差不大于60 m，因此可將其設(shè)為一個分區(qū)去規(guī)劃航線。為應(yīng)對影像傾角偏大等現(xiàn)實(shí)問題，擬定把航向、測向的設(shè)計重合度依次設(shè)定為80% ， 50%。統(tǒng)合以上設(shè)計信息，該公路工程UAV 主要參數(shù)如下。相對航高4 m～5 m，最低、最高地面點(diǎn)高程依次是55 m、110 m，基準(zhǔn)面高85 m，絕對飛行高585 m，航線間隔為260.56 m。

4.3 測量流程及方法

4.3.1 布設(shè)像控位點(diǎn)并加以測量

將CORS（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站）系統(tǒng)運(yùn)行階段提供的參數(shù)信息設(shè)為憑據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為與坐標(biāo)系相匹配的數(shù)據(jù)，采用電子刺點(diǎn)表示像控位點(diǎn)，而后前往工程現(xiàn)場對位攝影，并把點(diǎn)位相關(guān)信息制作成表，為內(nèi)業(yè)加密等過程創(chuàng)造便利。該路段平面坐標(biāo)系擬定使用1980 年的西安坐標(biāo)系，中央子午線109°30′，坐標(biāo)分帶選用1.5°帶[5]。

4.3.2 校對相機(jī)

結(jié)合相機(jī)功能特征，采用空間后方交會法，提取像位點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)，將其設(shè)為觀測數(shù)值，求得各類參數(shù)的方式進(jìn)行。

4.3.3 攝影測量

依照當(dāng)下業(yè)內(nèi)推行的技術(shù)規(guī)范，參照地面分辨率指標(biāo)，設(shè)定現(xiàn)實(shí)的飛行路線和高程，航高有相對、絕對航高之分。而后綜合分析航測圖的各項特點(diǎn)，立足于測區(qū)范疇中地形、地勢等條件，科學(xué)設(shè)定航線、曝光間隔等，以此從根本上保證重疊度的有效性。

4.3.4 內(nèi)業(yè)加密

在三角測量平差前期，以畸變糾正流程為支撐，對初始影響畸變差進(jìn)行調(diào)整，而后依照相關(guān)要求進(jìn)行平差處理。在現(xiàn)實(shí)操作階段，要準(zhǔn)確規(guī)劃空三處理航線，把全部位點(diǎn)均轉(zhuǎn)型為同名位點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)辨識測區(qū)內(nèi)是否存在漏點(diǎn)，然后再增設(shè)相應(yīng)的銜接點(diǎn)，借該方式保證不同模型間的銜接強(qiáng)度與相關(guān)要求相匹配。在以上操作整體結(jié)束后，檢測其達(dá)標(biāo)與否，在空三加密軟件的協(xié)助下，對區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行平差操作。

4.3.5 生成正射影視圖

三角測量完成后，獲取相關(guān)的數(shù)字高程模型，并生成相應(yīng)的正射影像。利用三角測量階段獲得的不同方位元素，以和影像相匹配的形式獲取數(shù)個同名位點(diǎn)，整合至前方交會操縱過程，借此方式促進(jìn)離散型三維位點(diǎn)的形成，在人機(jī)交互等形式的支撐下，能構(gòu)建出數(shù)字高程模型，最后產(chǎn)出正射影像。

4.3.6 制作模型

具體是依照數(shù)字高程模型，精確闡述與地形起伏等相對應(yīng)的各要素，對影像進(jìn)行三維可視化處理，力求影像紋理絡(luò)脈能詳細(xì)地呈現(xiàn)出區(qū)域覆蓋及土地資源的應(yīng)用現(xiàn)狀，以映射形式將正射影像數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至高程模型透視表面，對各類空間數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、疊加處理，宗旨是為后期公路選線等工作的開展提供參照依據(jù)[6]。

4.3.7 分析準(zhǔn)確度

運(yùn)作該流程的目的是評估像控位點(diǎn)坐標(biāo)的真實(shí)度。多數(shù)情況下需要借用2 條航線去獲取影像數(shù)據(jù)信息，而后對像控位點(diǎn)對應(yīng)的三維坐標(biāo)進(jìn)行加密測量處理，以上過程須借用GPS-RTK 技術(shù)完成。最后用PhotoScan 等軟件分析準(zhǔn)確度，明確其是否達(dá)到了成圖標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)語

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)是新型遙感數(shù)據(jù)的獲取方法，傳統(tǒng)測量方式無法與之相比，通過實(shí)踐說明該作業(yè)方法在精神上完全達(dá)到1 ∶1000 測圖要求。隨著無人機(jī)航測技術(shù)的普及和發(fā)展，地形圖航測量費(fèi)用已與傳統(tǒng)費(fèi)用相當(dāng)，因此該技術(shù)有著極大的發(fā)展前景。無人機(jī)整合了多種現(xiàn)代化技術(shù)的優(yōu)勢，用于工程勘測領(lǐng)域中能夠提取高分辨率圖像，并對空間信息進(jìn)行精確分析、測算。公路工程勘測階段如果能科學(xué)應(yīng)用該系統(tǒng)，則能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量手段應(yīng)用期間暴露出的不足，更好地迎合優(yōu)選路線的現(xiàn)實(shí)需求。結(jié)合該工程檢測實(shí)踐，認(rèn)定UAV 具有較高的推廣價值。