無人機測繪成果在公路測量中的應(yīng)用分析

董康強、詹德勝、靳自強、陳然

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081；2.四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司，四川 成都 610091；3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000；4.成都市工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，四川 成都 610306）

0 引言

公路測量是確保公路建設(shè)及管護運營質(zhì)量和安全的重要環(huán)節(jié)。公路工程大多存在環(huán)境復(fù)雜、地段偏僻的情況，其測量工作多受制于地理條件、環(huán)境因素。傳統(tǒng)的人工測量方法存在工作周期長、勞動強度大、數(shù)據(jù)易差錯等問題，而無人機測繪技術(shù)的出現(xiàn)為公路測量帶來革命性的變化。無人機測繪具有高效、靈活、精確和安全的特點，在探測和測繪領(lǐng)域開發(fā)潛力大，尤其是在地形測量上具有多樣化的測量工作優(yōu)勢，能為公路建設(shè)和管理創(chuàng)新及進步提供前所未有的數(shù)據(jù)服務(wù)。

1 無人機測繪技術(shù)的特點

第一，無人機測繪技術(shù)相比傳統(tǒng)的地面測量方式，具有高效的特點。其對空間環(huán)境要求不高，可以實現(xiàn)低空飛行，受氣候環(huán)境影響較小，且能快速飛行并自動化地獲取大量的影像數(shù)據(jù)，在獲取航拍影像時可不考慮飛行環(huán)境的影響，大大提高測繪工作效率。同時，無人機可以覆蓋大范圍的區(qū)域，減少人力資源和時間成本。第二，無人機測繪技術(shù)具有較高的靈活性。通過調(diào)整無人機的飛行高度、路徑和姿態(tài)等參數(shù)，可以適應(yīng)不同地形條件的測量需求。無人機可以進入傳統(tǒng)測量難以到達的區(qū)域，如復(fù)雜地形、懸崖峭壁等，能切實解決人工無法勘測或測量的環(huán)境問題，實現(xiàn)全面的測量覆蓋。第三，無人機測繪技術(shù)可以實現(xiàn)較高的測量精度。搭載在無人機上的測量設(shè)備和傳感器具備較高的精度，能夠獲取高分辨率的影像或點云數(shù)據(jù)。同時，通過精確的飛行控制和姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)，可以減小飛行姿態(tài)對測量結(jié)果的影響，提高測量的精確性。

2 無人機測繪中數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1 數(shù)字正射影像圖（DOM）

數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）是無人機測繪中常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)之一。它是通過對航拍獲取的影像進行處理，將影像糾正為與地面垂直的正射影像。數(shù)字正射影像圖是一種具有地理坐標、比例尺和地面垂直性的影像產(chǎn)品。通過去除航拍影像中的地形變形和相機姿態(tài)效應(yīng)，將影像元投影到地面平面上，使影像中的地物保持其真實的形狀和比例關(guān)系。相比于傳統(tǒng)的航空影像，DOM 具有更高的幾何精度和圖像一致性[1]。

生成數(shù)字正射影像圖的處理主要有以下幾個步驟：一是對航拍獲取的影像進行相對定向和絕對定向，獲取影像的外方位元素和內(nèi)方位元素，確定每個像素點的攝影測量坐標。二是根據(jù)航拍獲取的影像和攝影測量坐標，利用數(shù)字影像處理軟件進行三角剖分和地形點云插值，生成數(shù)字高程模型，記錄地面高程信息。三是通過將數(shù)字高程模型和影像數(shù)據(jù)進行匹配，校正影像的幾何形狀，消除地形變形和相機姿態(tài)效應(yīng)，得到地面垂直的正射影像。四是對正射影像進行色彩校正，使其具有真實的顏色和色調(diào)。如果需要融合多個航拍影像，可以進行影像融合處理，提高影像的一致性和覆蓋范圍。

2.2 數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是無人機測繪中常用的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。它是通過采集、處理和分析無人機獲取的地面數(shù)據(jù)，生成地形表面的數(shù)值表示。數(shù)字高程模型在數(shù)據(jù)處理中，先由無人機通過激光雷達或攝影測量設(shè)備獲取地面的三維點云數(shù)據(jù)，包含地面上的建筑物、植被和地形等特征，對采集到的點云數(shù)據(jù)進行濾波和去噪處理，以去除不必要的干擾點和誤差。然后，通過插值算法對點云數(shù)據(jù)進行處理，生成均勻的高程格網(wǎng)。插值算法主要是根據(jù)點云數(shù)據(jù)的密度和分布情況，推算出缺失區(qū)域的高程數(shù)值，從而構(gòu)建出完整的高程模型。常用的插值算法有反距離加權(quán)法、三角網(wǎng)剖分法和克里金插值法等。生成高程模型后，還需要進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。一種常見的處理方法是地形特征提取，根據(jù)高程模型的數(shù)據(jù)提取出地形的特征信息，如山脊、河流和坡度等。這些信息可以用于地質(zhì)勘查、土地利用規(guī)劃和自然災(zāi)害分析等領(lǐng)域。

2.3 數(shù)字地面模型

無人機測繪技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用越來越廣泛，其中數(shù)據(jù)處理技術(shù)中的數(shù)字地面模型（Digital Surface Model，簡稱DSM）在該領(lǐng)域起著重要的作用。數(shù)字地面模型是無人機測繪中常用的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，它是通過采集、處理和分析無人機獲取的地面數(shù)據(jù)，生成地表特征的數(shù)值表示。數(shù)字地面模型不僅包括地面的表面高程信息，還包括地物（如建筑物、樹木等）的高程信息。

在公路測量中，數(shù)字地面模型可以提供以下方面的應(yīng)用。首先，它可以提供精確的地形信息，幫助確定公路的縱斷面和橫斷面設(shè)計。通過對數(shù)字地面模型進行分析和測量，可以獲取公路沿線的地面高程、坡度、曲率等參數(shù)，進而優(yōu)化公路設(shè)計，提高公路的安全性和通行效率。其次，數(shù)字地面模型還可以用于公路工程施工前的地形分析和規(guī)劃。通過對數(shù)字地面模型進行可視化分析，可以識別出公路工程中的地形障礙物、土地利用現(xiàn)狀等信息，有助于確定最佳的公路線路和施工方案。

3 無人機測繪成果在公路測量中的應(yīng)用

3.1 量測與測量

無人機測繪技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用主要包括量測和測量。通過搭載高精度的測量設(shè)備，無人機可以快速、準確地進行公路相關(guān)的測量工作。首先，無人機測繪技術(shù)可以用于公路的長度測量。通過全球定位系統(tǒng)（GPS）等定位設(shè)備，無人機能夠?qū)崟r獲取其位置信息，從而可以測量公路的長度。無人機可以沿著公路路徑飛行，通過獲取坐標點并計算距離，得到公路的長度數(shù)據(jù)，為工程規(guī)劃和設(shè)計提供準確的參考。其次，無人機測繪還可以進行公路的寬度測量。無人機通過搭載激光測距儀等測距設(shè)備，能夠?qū)崟r測量公路的寬度。在飛行過程中能利用激光束測量公路兩側(cè)的距離，從而確定公路的寬度。再次，無人機測繪技術(shù)還可以用于測量地面標志和交通設(shè)施。通過高分辨率的相機設(shè)備，無人機可以準確捕捉道路標線的位置和長度，這有助于檢查道路標線的合規(guī)性和清晰度，確保交通安全。最后，可以利用無人機測量交通信號燈的安裝高度和角度，確保信號燈的正確設(shè)置和可見性，提高交通流暢性。

3.2 環(huán)境評估與土地利用規(guī)劃

環(huán)境評估與土地利用規(guī)劃是無人機測繪在公路測量中的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。無人機測繪技術(shù)提供了高分辨率的航空影像和地面模型，為環(huán)境評估和土地利用規(guī)劃提供了豐富的地理數(shù)據(jù)和信息。利用無人機能夠捕捉公路周邊的植被分布、水域分布和自然景觀等重要環(huán)境要素，進而獲取航空影像數(shù)據(jù)，其所獲得的影像具有高分辨率的特點，能清晰顯示不同類型的植被覆蓋和水域分布情況，有助于分析公路對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。例如，利用無人機測繪成果評估公路建設(shè)對植被破壞的程度，監(jiān)測公路沿線植被的變化，甚至進行植被生態(tài)功能評估。此外，通過分析水域分布情況，可以評估公路建設(shè)對水資源的影響，為水資源管理和保護提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 施工監(jiān)測與質(zhì)量控制

無人機測繪可以提供實時的施工監(jiān)測和質(zhì)量控制信息。通過定期采集無人機測繪數(shù)據(jù)，可以對公路施工現(xiàn)場進行測量和監(jiān)測。無人機搭載的相機和傳感器可以獲取施工現(xiàn)場的高分辨率影像和地面數(shù)據(jù)。通過與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比，可以及時發(fā)現(xiàn)和定位施工過程中的偏差和錯誤，提高施工的精度和效率。此外，無人機還可以進行質(zhì)量檢查，例如檢測路面平整度、標線位置等，確保公路的質(zhì)量符合設(shè)計要求。無人機測繪技術(shù)能夠覆蓋廣闊的施工區(qū)域，提供全面的視角和數(shù)據(jù)支持，有助于監(jiān)控施工進度和質(zhì)量，減少人工巡檢的工作量，提高施工管理效率[2]。

3.4 現(xiàn)場安全監(jiān)測

無人機測繪還可以用于公路施工現(xiàn)場的安全監(jiān)測。首先，無人機可以用于檢測施工區(qū)域的安全隱患，其搭載高分辨率的相機和傳感器，可以對施工現(xiàn)場進行全面的視覺監(jiān)測，捕捉到施工現(xiàn)場的實時影像和視頻，并通過圖像分析和算法判斷是否存在安全隱患。例如，利用無人機監(jiān)測施工現(xiàn)場的土質(zhì)穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)土坡塌方、邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。此外，還能檢測施工現(xiàn)場的臨時支撐結(jié)構(gòu)、腳手架、圍擋等是否牢固可靠，提前發(fā)現(xiàn)施工過程中的安全問題。其次，無人機可以用于監(jiān)測施工現(xiàn)場周邊的交通狀況。公路施工常常伴隨著交通管制和道路封閉，對交通安全提出了嚴格要求。通過無人機的航拍，可以實時監(jiān)測施工現(xiàn)場周邊道路的交通流量、交通堵塞情況和交通安全措施的有效性。如果發(fā)現(xiàn)交通安全措施不到位或存在交通堵塞等問題，可以及時采取措施解決，確保施工現(xiàn)場和周邊道路的交通安全。

4 應(yīng)用案例分析

在某段公路應(yīng)用無人機進行實地測量，經(jīng)上述過程數(shù)據(jù)處理后得到圖1 所示激光點云模型。

圖1 激光點云模型

無人機在1∶500 比例尺、地形測量精度為5cm，同一區(qū)域同比例尺條件下GPS-RTK 進行測量復(fù)核，部分特征點兩者測量高程如下表1，同一特征點兩者測量高程對比均小于5cm，滿足精度要求。

表1 無人機與RTK 測量地形特征點高程對比表

將無人機和RTK 采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用方格網(wǎng)法測算土方，設(shè)計高程假定30m，計算過程如圖2、圖3 所示，無人機與RTK 測算土方量對比如表2所示。

表2 無人機與RTK 測算土方量對比表

圖2 無人機測算土方量

圖3 RTK 測算土方量

該公路隨機抽取面積為337.6m2范圍進行試驗，按照設(shè)計高程30m 開挖，無人機測算土方量為3667.6m3，RTK 測算土方量為3623.8m3，兩者相差43.8m3，差值較小，可忽略不計。綜上所述，在1∶500比例尺條件下，土石方工程量計算可以使用無人機測圖替代傳統(tǒng)GPS-RTK 測圖，且無人機測圖工作效率更高，節(jié)約更多的成本，不足之處是無人機無法代替RTK 進行構(gòu)筑物放樣。

5 結(jié)語

無人機測繪技術(shù)成果在公路測量中的應(yīng)用為公路建設(shè)和管理帶來巨大的優(yōu)勢。通過快速獲取高精度的地理數(shù)據(jù)，無人機測繪技術(shù)提高了測量的效率和準確性，為公路規(guī)劃、設(shè)計、施工和維護提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著無人機技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，無人機測繪在公路測量中的應(yīng)用前景更加廣闊。未來，可以預(yù)見無人機測繪技術(shù)將進一步提高測量的精度和效率，推動測繪數(shù)據(jù)的自動化處理和分析，實現(xiàn)更高程度的智能化。同時，無人機測繪技術(shù)將與其他技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合，如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等，為公路建設(shè)和管理提供更多創(chuàng)新和解決方案。相信無人機測繪在公路測量中的應(yīng)用將繼續(xù)拓展，為公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展作出更大貢獻。