無(wú)人機(jī)航測(cè)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

趙 青 巖

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)陽(yáng)蟒高速公路有限責(zé)任公司,山西 太原 030000)

陽(yáng)蟒高速公路位于太行山、中條山的銜接處，區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜，溝壑縱橫，橋隧比例高達(dá)56%，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行地面精確測(cè)繪工作任務(wù)繁重，困難較大，周期較長(zhǎng)。通過采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，節(jié)約了時(shí)間，降低了費(fèi)用，取得了良好的效果。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)的概念

無(wú)人機(jī)航測(cè)一般使用固定翼無(wú)人機(jī)，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)攜帶的數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備可快速獲取地表信息，獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，生成DEM、三維正射影像圖、三維景觀模型、三維地表模型等二維、三維可視化數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行各類環(huán)境下應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。通過大規(guī)模信息處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能夠?yàn)楦黝愑脩籼峁└哔|(zhì)量的定制數(shù)據(jù)處理服務(wù)，可提供4D產(chǎn)品(DOM,DLG,DEM,DRG)服務(wù)。無(wú)人機(jī)與航空攝影測(cè)量相結(jié)合使得“無(wú)人機(jī)數(shù)字低空遙感”成為航空遙感領(lǐng)域的一個(gè)嶄新發(fā)展方向，是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充?？蓮V泛應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、資源開發(fā)、基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取等方面。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)工作流程

首先依據(jù)初步設(shè)計(jì)的路線走向，制作路線走向的KML文件(備注：KML是開放地理空間聯(lián)盟維護(hù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜谠诘厍?yàn)g覽器、Google地球、Google地圖和谷歌手機(jī)地圖中顯示地理數(shù)據(jù)和瀏覽線路走向)。KML文件制作完成后，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)依據(jù)線路走向KML文件進(jìn)行飛行測(cè)量，其工作流程如下。

2.1 無(wú)人機(jī)航拍服務(wù)的業(yè)務(wù)流程

區(qū)域確定(確定航拍區(qū)域矩形四角84坐標(biāo))；現(xiàn)場(chǎng)勘察(飛行空域、起降場(chǎng)地、空中管制)；航線規(guī)劃(飛行航線、作業(yè)高度、飛行架次)；任務(wù)載荷設(shè)定(數(shù)碼影像、膠片、視頻、監(jiān)控)；簽訂合同(預(yù)付款、作業(yè)約定、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))；執(zhí)行飛行(飛行器運(yùn)輸、飛行作業(yè)、安全保障)；確驗(yàn)效果(成片數(shù)量、航攝范圍、圖像質(zhì)量)；后期制作(糾偏、拼圖、配準(zhǔn)、剪輯、輸出)。

2.2 航測(cè)過程中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)

2.2.1航測(cè)任務(wù)規(guī)劃

由于陽(yáng)蟒高速公路沿線地形起伏較大，而我們的航測(cè)要求成圖比例尺為1∶500，為了滿足航測(cè)精度，同時(shí)避免發(fā)生無(wú)人機(jī)撞山事故，根據(jù)地形起伏情況和預(yù)定飛行高度，我們將全線劃分為三個(gè)段落，K0+000～K17+200段相對(duì)高差約為100 m，劃分為一個(gè)架次，K17+200～K31+000段相對(duì)高差約為200 m，劃分為一個(gè)架次，K31+000～K39+093段相對(duì)高差約為500 m，劃分為一個(gè)架次。

2.2.2航測(cè)系統(tǒng)硬件選擇

陽(yáng)蟒高速公路沿線自然植被豐富，森林覆蓋率達(dá)65%以上，為了確保飛行安全，我們選擇了上海華測(cè)P700E翔宇系列無(wú)人機(jī)，P700E為電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，采用軍工一體化生產(chǎn)技術(shù)，上單翼V尾布局，使用雙發(fā)電動(dòng)引擎，有效載荷大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，彈射起飛，開傘降落，單架次作業(yè)面積可達(dá)35 km2,即使發(fā)生墜落事故，由于其開傘降落的方式，不會(huì)發(fā)生人員財(cái)產(chǎn)損失和火災(zāi)，其具體參數(shù)見表1。

表1 航測(cè)無(wú)人機(jī)P700E技術(shù)參數(shù)

選擇好航測(cè)設(shè)備后，還需要整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作，我們采用的低空無(wú)人飛行器的測(cè)繪遙感系統(tǒng)由任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)、地面導(dǎo)控軟件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

任務(wù)設(shè)備就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件和航測(cè)要求選擇的飛行器和航測(cè)相機(jī)型號(hào)；地面導(dǎo)控軟件則負(fù)責(zé)提供與空中載具雙向通訊完整的人機(jī)溝通界面，包含飛行影像與資料的即時(shí)顯示、各種飛行機(jī)載控制命令上傳、任務(wù)規(guī)劃(MissionPlan)、飛行控制(FlightControl)及歸航(PlayBack)等3項(xiàng)涵蓋飛行前、中、后的操作功能。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合GoogleEarth，具體產(chǎn)品包括：Pips空三云軟件、Pips測(cè)圖云軟件、Pips正射影像云軟件、Pips并行云管理器軟件、影像預(yù)處理、勻光勻色、單片正攝、生成DEM等?？商峁┰敿?xì)衛(wèi)星地圖及地形地貌，且包含道路、橋梁、建筑物、河流、山區(qū)等各式資訊。

2.2.3航測(cè)成果的具體技術(shù)要求

我們提出的具體技術(shù)要求涵蓋了設(shè)備硬件、飛行條件、精度要求，以及國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。航測(cè)圖幅比例要求為1∶500比例尺的地形圖；采用華測(cè)P700E飛機(jī)掛載NikonD810相機(jī)；相對(duì)飛行高度：250 m；測(cè)區(qū)大小要求約0.4個(gè)平方公里重疊：航內(nèi)85%，航間65%；實(shí)際坐標(biāo)為：WGS84坐標(biāo)；精度控制要求為像控點(diǎn)個(gè)數(shù)10個(gè)，像控點(diǎn)間距為測(cè)區(qū)外圍最大控制點(diǎn)間距間隔500 m。

質(zhì)量要求為所獲取影像為真彩色數(shù)字影像，航片色彩均衡一致，影像明亮度、飽和度、對(duì)比度良好；按5 cm地面分辨率進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)；航線按圖廓中心線敷設(shè)，像對(duì)之間幾何無(wú)縫接邊、自然，航向、旁向重疊度滿足要求；圖幅之間的幾何接邊、灰度接邊要基本保持一致；航片傾角不大于5°，最大不超過12°，數(shù)碼相機(jī)旋偏角不大于15°；數(shù)據(jù)格式滿足要求。

3 航測(cè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 保留原地貌高清影像，避免搶栽搶種，利于優(yōu)化設(shè)計(jì)

1∶500的高清彩色正射影像圖清晰反映了路線沿線的地面附著物情況，施工圖設(shè)計(jì)完成批復(fù)后，我們及時(shí)發(fā)出通告，廣而告之，有效避免了搶栽搶種等違規(guī)現(xiàn)象。應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)成果可以與原設(shè)計(jì)單位提供的全野外數(shù)字化地形測(cè)繪成果進(jìn)行相互校核，便于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 精確進(jìn)行工程量計(jì)算復(fù)核

清表完成后，無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)掃描設(shè)備，對(duì)全線進(jìn)行航測(cè)，即可生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將沿線500 m幅寬內(nèi)原地貌數(shù)字化，該數(shù)字化的地面模型，可進(jìn)行挖填方土石方工程量的精確測(cè)定，迅速準(zhǔn)確。

3.3 節(jié)約了測(cè)繪時(shí)間

傳統(tǒng)航測(cè)手段無(wú)法獲得彩色高清地圖，且審批困難，周期在3個(gè)月以上。我們采用無(wú)人機(jī)航測(cè)方案，僅用2 d時(shí)間就完成了長(zhǎng)40 km，寬度為1 000 m的帶狀高清彩色地圖測(cè)繪任務(wù)，且審批手續(xù)簡(jiǎn)便，不受航空管制影響。

3.4 節(jié)約了測(cè)繪費(fèi)用

采用傳統(tǒng)航測(cè)方法，需要費(fèi)用近200萬(wàn)元，采用無(wú)人機(jī)航測(cè)方法費(fèi)用僅20萬(wàn)元左右。

4 結(jié)語(yǔ)

航測(cè)是傳統(tǒng)地面測(cè)繪的有力補(bǔ)充，在陽(yáng)蟒高速公路建設(shè)中取得了一些成功的應(yīng)用，但是在公路工程施工過程中由于存在大量的隱蔽工程、水下工程或者被樹木遮蓋區(qū)域，所以傳統(tǒng)的實(shí)地勘察工作仍然是必要的。

[1] 王聰華.無(wú)人飛行器低空遙感影像數(shù)據(jù)處理方法[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2006.

[2] 中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用網(wǎng).無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)技術(shù)集成方略[EB/OL].http://www.uavrs.com/index.php m=content&c=index&a=show&catid=13&id=395,2014-06-01.

[3] 李 軍，盛新蒲，夏志宇，等.無(wú)人飛行器低空攝影技術(shù)探討[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36(4)：145-147.

[4] CN/Z 3002—2010,無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求[S].

[5] 邵金強(qiáng)，羅 斐，張 磊.無(wú)人機(jī)在土地整治項(xiàng)目中的應(yīng)用探討[J].科技視界，2014(1):405-406.

[6] 汪 晗，聶 鑫，張安錄.低丘崗地改造項(xiàng)目的時(shí)空配置研究[J].國(guó)土資源科技管理，2009，26(4)：16-21.