無人機(jī)、傾斜攝影在公路測量中的應(yīng)用

孫運(yùn)彬 李志剛

【摘 要】無人機(jī)、傾斜攝影是公路測量的新方法和新技術(shù)，對簡化公路測量的工作量，提高測量效率和精度意義重大。論文從無人機(jī)便捷的特征談起，分析了無人機(jī)攝影與傳統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別。然后，詳細(xì)地說明了無人機(jī)、傾斜攝影在公路選、定線以及帶狀圖測繪中的應(yīng)用，最后，分析了無人機(jī)、傾斜攝影在公路橫縱斷面測量中的應(yīng)用，希望本文的研究對推進(jìn)無人機(jī)和傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用有所幫助。

【Abstract】Unmanned aerial vehicle and oblique photography are the new methods and technologies of highway surveying， which is of great significance to simplify the workload of highway surveying and improve the measuring efficiency and accuracy. This paper discusses the characteristic of convenience of UAV， analyzes the difference between UAV photography and traditional technology. And then it explains the application of UAV， oblique photography in the highway selection， alignment and strip mapping in detail. Finally， the application of UAV， oblique photography in the transverse and profile surveying of the highway is analyzed. Hoping to provide some help for promoting the application of UAV， oblique photography technology.

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)系統(tǒng)；傾斜攝影；公路測量；具體應(yīng)用

【Keywords】UAV system； oblique photography； highway surveying； specific application

【中圖分類號】P231 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）09-0194-03

1 引言

無人機(jī)平臺借助高精度多角度攝像設(shè)備，能夠在短時間內(nèi)獲取高分辨率影像，為公路施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。以帶狀圖像為基本特征的公路地形圖，需要較高的精度以及圖幅之間的銜接技術(shù)。無人機(jī)的出現(xiàn)打破了原有的工作思維，為測繪人員打開了一片新天地。無人機(jī)和傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合，代替了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程，簡化了內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理，是工程測量的發(fā)展方向之一。

2 無人機(jī)、傾斜攝影的概念

無人機(jī)是一種攝影平臺，測量人員將不同角度的高分辨率攝像頭安裝在無人機(jī)的底部，為無人機(jī)設(shè)置多項(xiàng)參數(shù)，在高度平穩(wěn)、攝像角度一定的情況下，進(jìn)行攝影[1]。一般而言，無人機(jī)的多角度攝像頭拍到的影像重疊度在60%～65%。如此的重疊度，使得無人機(jī)影像的拍攝范圍小，數(shù)據(jù)量所占空間大，適合在帶狀公路建設(shè)工程中使用。此外，無人機(jī)的攝像分辨率還在不斷提高，能夠容納的地物不僅在變多，而且更加豐富。

傾斜攝影是一種確定地物點(diǎn)具體位置的攝影技術(shù)。對同一點(diǎn)進(jìn)行的多角度拍攝，形成了三點(diǎn)定位效果。根據(jù)拍攝時無人機(jī)的高度、姿態(tài)等參數(shù)，對圖像中的每個點(diǎn)進(jìn)行立體成像，從而形成三維立體圖，與此同時，還會形成DEM數(shù)據(jù)，判定地面高程變化。傾斜攝影技術(shù)比二維轉(zhuǎn)化成三維的傳統(tǒng)技術(shù)在精度、視覺效果以及反映地物真實(shí)性方面更加優(yōu)越，便于測繪行業(yè)內(nèi)外人士的運(yùn)用。無人機(jī)和傾斜攝影是密不可分的，無人機(jī)測量平臺和傾斜攝影的技術(shù)將整個測繪工作向著簡便、精準(zhǔn)、自動化的方向推向。

3 無人機(jī)便捷性分析

無人機(jī)攝影技術(shù)在是衛(wèi)星遙感攝影原理和基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與遙感攝影相比，無人機(jī)攝影技術(shù)避免了大氣傳播過程中能量的散射以及幾何變形，縮短了攝影周期，提高了圖像的分辨率；與GPS-RTK技術(shù)相比[2]，無人機(jī)攝影技術(shù)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不需要設(shè)定基站，也不需要測量人員進(jìn)行逐點(diǎn)測量，縮短了測量工作的整個周期；與傳統(tǒng)的導(dǎo)線法、三角或三邊三角網(wǎng)法相比，無人機(jī)攝影技術(shù)不需要做多級支站，且測量精度更高。下文將對無人機(jī)的便捷性進(jìn)行分析。

3.1 無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的周期短

經(jīng)過10多年的發(fā)展，無人機(jī)攜帶高精度、多角度相機(jī)，能夠在極短的時間之內(nèi)獲得整個測區(qū)數(shù)據(jù)，并且能夠以相同的比例尺獲得較大圖幅的內(nèi)容。如果運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取圖像，則需要半個月或一周時間，如果運(yùn)用GPS-RTK技術(shù)測量，則需要3到5天時間。而無人機(jī)只需要設(shè)定好飛行路線以及飛行次數(shù)，不需要半個小時便可以獲取整個公路施工區(qū)域的圖像資料。在后期數(shù)據(jù)的處理中，只需要均勻挑選特征點(diǎn)，進(jìn)行對應(yīng)的坐標(biāo)匹配，便可以為整個施工提供設(shè)計底圖。

3.2 無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的精度高

公路施工需要1：500、1：1000以及1：2000的地形圖。無人機(jī)根據(jù)需要可在低于1000m的高度進(jìn)行飛行，無人機(jī)攜帶的高分辨率傳感器精度可達(dá)到厘米級別，且獲取的彩色影像能夠?qū)⒌孛鏈y區(qū)內(nèi)的細(xì)節(jié)全部展現(xiàn)出來。通過后期處理，圖像數(shù)據(jù)成果可以生成DEM和DOM圖，展示出三維場景。只需要沿著公路中心為量測特征點(diǎn)，就能夠做好圖像糾正，生成正式的地形圖[3]。高精度的無人機(jī)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理后呈現(xiàn)的三維效果，能夠讓工作者更加直觀地感受測區(qū)的實(shí)際情況。

3.3 無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的成本低

無人機(jī)單次獲取數(shù)據(jù)的成本與其他方式相比是非常低廉的。從無人機(jī)需要的測量人員看，一般三個工作人員便可以完成整個測區(qū)的圖像采集任務(wù)；從無人機(jī)需要的設(shè)備看，僅需要無人機(jī)以及計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不需要基站，也不需要多個全站儀測量設(shè)備。因此，無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的成本是最低的。在地勢平坦地區(qū)，無人機(jī)獲取的圖像遮擋少，速度快；在地勢起伏大，遮擋物較多地區(qū)，無人機(jī)的多個攝影頭可以多角度攝像，將盲區(qū)縮小到最小范圍。無人機(jī)需要重測的概率極低，數(shù)據(jù)的高質(zhì)量也是其成本小的重要原因。

4 無人機(jī)、傾斜攝影在公路選、定線以及帶狀圖測繪中的應(yīng)用

無論是新公路建設(shè)還是舊路重建，都需要對公路進(jìn)行選、定線，借助帶狀圖進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境、水文條件等內(nèi)容的判斷。無人機(jī)、傾斜攝影能夠更加直觀、更加便捷的為公路選、定線，確定公路的修建方向提供幫助，盡可能地降低公路建設(shè)成本。本節(jié)將無人機(jī)、傾斜攝影的應(yīng)用分山嶺區(qū)、平原區(qū)、丘陵區(qū)三個方面進(jìn)行敘述。

4.1 無人機(jī)、傾斜攝影在山嶺區(qū)測繪中的應(yīng)用

公路建設(shè)通過山嶺區(qū)時，需要充分考慮上嶺線和下嶺線、路線偏離度、路線填挖量、放坡、路面陰陽位置比例以及排水管道設(shè)計等。首先，無人機(jī)、傾斜攝影能夠直觀地展示山嶺地區(qū)的地面全貌，公路路線的設(shè)計者可以根據(jù)影像反映出的地區(qū)實(shí)際情況，預(yù)先設(shè)計出多條建設(shè)路線。其次，根據(jù)多條建設(shè)路線，從路線偏離度、土方填挖量、路面在陽坡和陰坡上的比例等要素對幾種設(shè)計路線進(jìn)行選擇。再次，在放坡和填挖土方量的過程中，利用遙感影像選、定線。根據(jù)影像的情況，設(shè)計出地面選、定點(diǎn)的大致位置。最后，形成以公路為中心的帶狀定點(diǎn)路線，形成一級控制點(diǎn)，利用PTK進(jìn)行實(shí)地測點(diǎn)，為公路建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 無人機(jī)、傾斜攝影在平原區(qū)測繪中的應(yīng)用

平原區(qū)公路建設(shè)的選定線比山嶺區(qū)難度小，沒有山體、植被的大面積遮擋。但是，平原區(qū)公路建設(shè)需要考慮到建設(shè)成本、轉(zhuǎn)彎曲線、高壓塔、村莊、已有公路以及其他重要的地物。在選、定線過程中，無人機(jī)利用傾斜攝影技術(shù)，在100m左右的高度，對整個工程進(jìn)行觀測，發(fā)揮空中三角形測量的作用，形成三維立體圖。如此一來，新建公路或重建公路能夠看到具體路線上需要繞開的城鎮(zhèn)、村莊，可以看到可以交叉的已有公路，在此基礎(chǔ)上開展選、定工作。在內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，選、定的點(diǎn)還可以進(jìn)行動態(tài)展示。在后期選、定點(diǎn)的實(shí)際工作中，還可以利用這些影像圖進(jìn)行實(shí)時修改，以便將實(shí)地測量以及后續(xù)工程的成本降到最低。

4.3 無人機(jī)、傾斜攝影在丘陵區(qū)測繪中的應(yīng)用

丘陵區(qū)公路建設(shè)的選定任務(wù)比較重，其地勢起伏不定，水文條件不明，轉(zhuǎn)彎十分多。按照傳統(tǒng)的測繪方法，需要繞著整個工程區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，這個時間比較長，也需要花費(fèi)大量的勞動力。首先，無人機(jī)能夠沿著丘陵區(qū)公路進(jìn)行地勢、地貌的立體觀測，幫助測繪人員得到較為完整的地區(qū)圖像。然后，按照圖像進(jìn)行實(shí)地情況分析，減少外業(yè)踏勘的次數(shù)以及工作量；最后，將整個公路建設(shè)進(jìn)行分段，每一段區(qū)域的公路建設(shè)都可以在圖像的指引下選擇公路的具體建設(shè)路線，并在公路的中線定點(diǎn)，為后期施工做好基礎(chǔ)工作。

5 無人機(jī)、傾斜攝影在公路橫縱斷面測量中的應(yīng)用

無人機(jī)和傾斜攝影聯(lián)合測量后，經(jīng)過空三處理，得到DEM和DOM影像。在公路橫縱斷面測量中，可以利用生成的DEM判定高程差，從而確定具體的施工方案。本節(jié)從三個方面分析其在橫縱斷面測量中的應(yīng)用。

5.1 在帶狀圖上進(jìn)行內(nèi)插，明確測區(qū)的高程差

由于無人機(jī)、傾斜攝影能夠提供DEM，判定公路施工各個部分的高程差，從而解決坡道、曲線、轉(zhuǎn)彎等多種問題。首先，將外業(yè)航飛獲取的圖像進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，結(jié)合外業(yè)測量的特征點(diǎn)，進(jìn)行影像配準(zhǔn)[4]；然后，根據(jù)公路工程的需求，對生成的DEM圖進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，更加具體地反映公路路線的高程變化；最后，通過內(nèi)業(yè)軟件，篩選出具有橫斷面特征的部分，并確定其傾斜角度，為橫斷面處理準(zhǔn)備好基礎(chǔ)材料。測區(qū)橫斷面篩選成功后，測繪人員只需要在這些地方進(jìn)行布測，觀察周圍的環(huán)境，為這些橫斷面的施工設(shè)計提供具體數(shù)據(jù)。無人機(jī)、傾斜攝影代替了傳統(tǒng)測量手段，篩選橫斷面的效率和精度大大提高，其成本也得到了有效控制。

5.2 基于影像成果，計算填挖土方量

無人機(jī)、傾斜攝影測量得到的影像是在多項(xiàng)參數(shù)下得到的，完全可以推算出圖像比例尺。換句話而言，測區(qū)內(nèi)的面積、體積都是可以通過影像計算出來的。山區(qū)公路建設(shè)過程中需要的填挖土方量便可以直接在影像圖上進(jìn)行計算[5]。首先，判斷公路施工區(qū)域需要填挖土方量的具體位置，在這些位置上觀察周圍土壤、巖石走向，確定公路建設(shè)需要挖走或者填充進(jìn)來的土方量。在填充方面，可以選擇就近取材，以瑣碎的石塊、優(yōu)質(zhì)土壤等進(jìn)行填充，設(shè)計出兩者比例，既要能夠節(jié)約成本，又能夠保證公路的質(zhì)量；在挖出方面，需要對周圍的地質(zhì)條件進(jìn)行探查，考慮到巖體、水體等方面的影響，盡量減少對周圍環(huán)境的影響，產(chǎn)生的廢料也可借助影像圖選擇投放地點(diǎn)。

5.3 借助影像，觀察橫縱斷面處理對周圍的影響

在公路進(jìn)行橫縱斷面處理的過程中，很容易對周圍的地形、地勢造成影響。采用不斷更新的無人機(jī)影像圖觀察周圍巖體、水體以及其他地物的沉降和變動。通過這些地物的變化趨勢，判斷橫縱斷面是否能夠繼續(xù)進(jìn)行[6]。在平原區(qū)，這種實(shí)時監(jiān)測的必要性不明顯，但是，在丘陵和山嶺區(qū)，一旦由于施工的震動、開挖和填充的不合理，改變了山體內(nèi)部的平衡，而又沒有察覺，就會給整個工程以及工人帶來不可挽回的損失?？紤]到安全和施工質(zhì)量因素，開展無人機(jī)定期航飛計劃，能夠有效檢測周圍山體的變動，保障施工人員的安全。

6 結(jié)語

無人機(jī)、傾斜攝影是公路測繪發(fā)展的新方向。無人機(jī)和傾斜攝影技術(shù)代替了傳統(tǒng)的人工測繪手段，不僅提高了工作效率，還提升了測量精準(zhǔn)度。如今，無人機(jī)、傾斜攝影在三維成像技術(shù)方面的發(fā)展獲得了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可[7]，在實(shí)際生產(chǎn)中展現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)越性。總之，帶狀公路測量工作需要無人機(jī)、傾斜攝影技術(shù)的支持，需要真實(shí)的高分辨率影像提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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