無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在高速公路帶狀地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

魏林金

(江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052)

0 引 言

地形圖是公路勘察設(shè)計(jì)中必不可少的資料。目前，大比例尺公路帶狀地形圖測(cè)量方法主要有全站儀測(cè)量、GPS RTK測(cè)量以及傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量法。全站儀測(cè)量和GPS RTK測(cè)量需要投入較多人力、物力，在地形復(fù)雜、植被茂密、建筑密集地區(qū)難以施測(cè)，且測(cè)量周期長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致工程效率低、成本高。傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量雖然技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但對(duì)天氣和機(jī)場(chǎng)條件的依賴(lài)性大、成本較高、攝影周期較長(zhǎng)[1]。

近年來(lái)，輕型無(wú)人機(jī)(UAV)技術(shù)得到了較快發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的航測(cè)技術(shù)已有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、影像分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、使用成本低等特點(diǎn)，其在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用得到日益關(guān)注。本文通過(guò)實(shí)例闡述了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在1∶2 000地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用情況以及相關(guān)注意事項(xiàng)，為無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在公路帶狀地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用提供生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)介紹

由飛行器系統(tǒng)、測(cè)控及信息傳輸系統(tǒng)、信息獲取與處理系統(tǒng)、保障系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成了無(wú)人機(jī)空間信息采集完整的工作平臺(tái)。用于航測(cè)的無(wú)人機(jī)主要有固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)：固定翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、載重量大，適合大面積、遠(yuǎn)距離測(cè)繪任務(wù)；旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短、載重量適中、具有可懸停優(yōu)點(diǎn)，適合小范圍、定點(diǎn)的測(cè)繪任務(wù)。

江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)設(shè)計(jì)院)承接了一條全長(zhǎng)約80 km的擬建高速公路1∶2 000帶狀地形圖測(cè)繪任務(wù)。結(jié)合公路地形圖帶狀分布特點(diǎn)，此次航測(cè)使用了IRSA(中遙)Ⅱ型固定翼無(wú)人機(jī)(表1)。

表1 IRSA Ⅱ型無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)

此次搭載的航測(cè)相機(jī)為尼康D800，像幅大小為7 360×4 912，相機(jī)焦距為35 mm，像元分辨率為4.9 um，有效像素為3 630萬(wàn)，快門(mén)速度1/8 000 s。相機(jī)使用前經(jīng)檢校，獲取了內(nèi)方位元素和構(gòu)像畸變校正系數(shù)等參數(shù)，以供后續(xù)影像數(shù)據(jù)處理使用。結(jié)合本次航飛區(qū)域情況及1∶2 000地形圖精度要求，在保證飛行質(zhì)量及效率前提下，設(shè)計(jì)攝影比例尺約1∶20 000，相對(duì)航高700 m，像片航向重疊度80%，旁向重疊度60%，像片傾斜角≤5°(個(gè)別最大≤12°)，像片旋偏角≤15°。

2 生產(chǎn)技術(shù)流程

無(wú)人機(jī)航測(cè)的生產(chǎn)技術(shù)流程由航飛設(shè)計(jì)開(kāi)始，采用“外—內(nèi)—外—內(nèi)”方式進(jìn)行作業(yè)(圖1)。

(1)利用無(wú)人機(jī)完成航空攝影后，通過(guò)外業(yè)進(jìn)行像片控制測(cè)量。

(2)利用像控資料和相應(yīng)航攝資料進(jìn)行空中三角測(cè)量、立體測(cè)圖。

(3)依據(jù)內(nèi)業(yè)測(cè)繪成果完成外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)。

(4)根據(jù)外業(yè)補(bǔ)測(cè)調(diào)繪完成成果編輯，制作DEM和DOM，匯總成果提交。

圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)技術(shù)流程

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 攝區(qū)概況

項(xiàng)目作業(yè)區(qū)位于江西省西北部，地貌有低山、丘陵和崗地、盆地及沖洪積河谷等，且以丘陵和崗地兩者居多，地形起伏較大，部分地區(qū)樹(shù)林密集，通視情況較差，沿線(xiàn)最高海拔約668 m，最低海拔約76 m。作業(yè)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和、四季分明、陽(yáng)光充足、雨量充沛，年降水量的40%—50%集中在第二季度。

擬建高速公路推薦路線(xiàn)全長(zhǎng)約80 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度24.5 m。作業(yè)范圍是依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的1∶50 000路線(xiàn)總體方案布置圖中推薦線(xiàn)和比較線(xiàn)兩邊各200 m寬度內(nèi)的區(qū)域。本任務(wù)包括使用無(wú)人機(jī)對(duì)攝區(qū)約200 km2區(qū)域進(jìn)行地面分辨率優(yōu)于0.2 m的數(shù)碼航空攝影，并進(jìn)行約42 km2區(qū)域的1∶2 000數(shù)字線(xiàn)劃圖DLG制作。

3.2 無(wú)人機(jī)航空攝影

根據(jù)無(wú)人機(jī)的作業(yè)能力和路線(xiàn)走向進(jìn)行航線(xiàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)飛行7個(gè)架次，每個(gè)架次根據(jù)線(xiàn)路測(cè)量寬度要求飛行若干條航線(xiàn)。在每個(gè)架次飛完后及時(shí)檢查影像拍攝質(zhì)量，需按原設(shè)計(jì)要求及時(shí)補(bǔ)攝出現(xiàn)的相對(duì)漏洞和絕對(duì)漏洞。對(duì)不影響內(nèi)業(yè)加密模型連接的相對(duì)漏洞，可只在漏洞處補(bǔ)攝，補(bǔ)攝航線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)超出漏洞之外1條基線(xiàn)?？刂坪骄€(xiàn)如其本身出現(xiàn)局部相對(duì)漏洞或其他缺陷，在不影響整條航線(xiàn)內(nèi)業(yè)加密選點(diǎn)和模型連接的情況下可不補(bǔ)攝。凡需要補(bǔ)攝時(shí)，整條航線(xiàn)應(yīng)重?cái)z(圖2)。

圖2 無(wú)人機(jī)航線(xiàn)示意圖

3.3 像片控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

像控點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，全測(cè)區(qū)按飛行架次與地形條件劃分為若干網(wǎng)區(qū)。對(duì)兩條及兩條以上平行航線(xiàn)布設(shè)平高控制點(diǎn)，每對(duì)像控點(diǎn)相距不超過(guò)4條基線(xiàn)，且分布在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位處。在不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)中，為提高像控點(diǎn)加密精度，在區(qū)域網(wǎng)的凹角處增補(bǔ)高程點(diǎn)，凸角處增補(bǔ)平高點(diǎn)。當(dāng)凹凸角之間距離超過(guò)2條基線(xiàn)時(shí)，凹角處亦布置平高點(diǎn)(圖3)。

圖3 不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)

測(cè)區(qū)內(nèi)已建立四等GPS控制網(wǎng)，像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)方法進(jìn)行測(cè)定?？紤]到測(cè)區(qū)地形較為復(fù)雜，為保證加密點(diǎn)質(zhì)量，對(duì)高程控制點(diǎn)也需測(cè)定其平面坐標(biāo)。

3.4 空中三角測(cè)量與立體測(cè)圖

本次空三加密使用適普的Virtuozo AAT自動(dòng)空中三角測(cè)量軟件和PATB軟件。Virtuozo AAT軟件除了半自動(dòng)量測(cè)控制點(diǎn)以外，其他所有作業(yè)(包括內(nèi)定向、加密點(diǎn)選取、加密點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)、相對(duì)定向、模型連接、區(qū)域網(wǎng)構(gòu)建以及加密點(diǎn)成果整理等)都可自動(dòng)完成。PATB是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的光束法區(qū)域網(wǎng)平差軟件包，該軟件理論嚴(yán)密，具有先進(jìn)的出差檢測(cè)算法，可獲得高精度平差結(jié)果。將兩者結(jié)合使用，最終可得到空三加密成果。

立體測(cè)圖使用適普的VirtuozoNT全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，采取“所見(jiàn)即所得”方式獲取，可直接利用空三加密成果，恢復(fù)立體模型，進(jìn)行全要素采集。

3.5 外業(yè)調(diào)繪

利用內(nèi)業(yè)采集的線(xiàn)劃圖套合影像圖按一定比例尺打印成紙質(zhì)圖進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)。作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10—2007)、《公路勘測(cè)細(xì)則》(JTG/TC10—2007)相關(guān)要求執(zhí)行，對(duì)航測(cè)成圖進(jìn)行實(shí)地全野外屬性調(diào)查，并補(bǔ)測(cè)室內(nèi)測(cè)圖遺漏或不可見(jiàn)的地物，如地下管線(xiàn)和涵洞等。

3.6 項(xiàng)目精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)院施工圖階段道路中線(xiàn)的實(shí)測(cè)地面高程進(jìn)行高程精度統(tǒng)計(jì)：共抽取1 000個(gè)點(diǎn)，將外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與地形圖讀取高程數(shù)據(jù)做比較分析，得出高程中誤差為1.53 m，最大誤差為4.6 m。其中，小于等于1倍中誤差的占75.2%，介于1倍中誤差和2倍中誤差之間的占20.5%，大于2倍中誤差的占4.3%(圖4)。因平面精度一般可以達(dá)到，因此沒(méi)有做平面精度檢測(cè)。通過(guò)分析可以看出，在此項(xiàng)目中，高程中誤差沒(méi)有達(dá)到精度要求，導(dǎo)致后期公路、橋梁設(shè)計(jì)仍需依賴(lài)大量外業(yè)修補(bǔ)與改正，影響了生產(chǎn)效率。

圖4 高程誤差分布區(qū)間

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)結(jié)合工程實(shí)例介紹了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在高速公路帶狀地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用情況。盡管目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)在測(cè)繪行業(yè)有了很大推廣應(yīng)用，但大都只是生產(chǎn)制作DOM和DEM，對(duì)大比例尺DLG的生產(chǎn)只在一些地勢(shì)較為平坦的地區(qū)做過(guò)小面積實(shí)驗(yàn)，很少有大范圍實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，特別是在山區(qū)等一些地形起伏較大、植被覆蓋密集的區(qū)域，飛行試驗(yàn)并不多，且精度較平坦地區(qū)要低。

(2)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于公路地形圖的生產(chǎn)存在不確定性，在很多關(guān)鍵技術(shù)上有待進(jìn)一步提高。因此建議在大范圍、地形相對(duì)復(fù)雜的公路帶狀地形圖測(cè)繪中，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行地形圖生產(chǎn)應(yīng)盡可能使用傳統(tǒng)大飛機(jī)，而在大飛機(jī)不便或無(wú)法完成的情況下由無(wú)人機(jī)代替。

[1] 魏方震，武少豐，吉世鵬，等.天寶UX5無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2005 (3):138-139.

[2] 張惠均.無(wú)人機(jī)航測(cè)帶狀地形圖的試驗(yàn)及分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2013,38(3):100-105.

[3] 崔書(shū)珍，周金國(guó).無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在1∶1 000地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 地礦測(cè)繪，2014,30(4):29-31.

[4] 王鳳國(guó)，胡潤(rùn)強(qiáng).無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐及可行性分析[J].甘肅科技，2014,30(6):34-36.