采用無人機航測技術(shù)實現(xiàn)高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測的探索

浙江省征地與資源交易中心 俞建康

無人機航測作為對信息數(shù)據(jù)采集的一種方式，與傳統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)采集及更新方式相比，無人機航攝系統(tǒng)擁有低成本、高效率、支持云層下作業(yè)，可快速及時獲取高分辨率大比例尺影像的優(yōu)勢，已成為航空攝影領(lǐng)域一個新的發(fā)展方向。近年來隨著低空無人機攝影測量技術(shù)的發(fā)展，以及普通數(shù)碼影像引入數(shù)字圖像處理及模式識別等理論和技術(shù)的成熟，無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)以其機動靈活、經(jīng)濟、便捷等特點，應(yīng)用范圍和前景越來越廣闊，特別是在小范圍快速成圖、帶狀工程項目和建模方面顯示出其獨特優(yōu)勢。在經(jīng)濟高速發(fā)展新常態(tài)的背景下，已有高速公路的工程正成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的中心之一。由于高速公路建設(shè)用地批后竣工復(fù)測會受到道路交通流量的影響，考慮安全、保通、進(jìn)度等影響因素，測量作業(yè)人員上高速公路測量風(fēng)險較大，按精度及時間要求完成竣工復(fù)測存在較多困難。因此利用無人機低空航測技術(shù)完成杭新景高速公路建德壽昌至開化白沙關(guān)（浙贛界）工程建設(shè)用地批后監(jiān)測項目是較理想的方法。

無人機航攝技術(shù)路線

本文結(jié)合杭新景高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測、不動產(chǎn)登記發(fā)證等工作需要，針對無人機低空系統(tǒng)如何按照航空攝影測量的要求獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的流程和最后攝影測量成果的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果的應(yīng)用，探討無人機航攝技術(shù)在高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測等方面的應(yīng)用。

一、批后監(jiān)測的主要技術(shù)過程

經(jīng)多方論證，現(xiàn)場踏勘，最終決定采用低空無人飛機高精度攝影測量方式對杭新景高速公路建德壽昌至開化白沙關(guān)（浙贛界）工程建設(shè)用地批后監(jiān)測項目進(jìn)行施測，獲取高質(zhì)量、大比例尺正射影像圖，并通過立體采集獲取1∶1000 大比例尺DLG 數(shù)據(jù)。

（一）測區(qū)概況

本測區(qū)杭新景高速公路建德壽昌至開化白沙關(guān)（浙贛界）工程起于建德壽昌鎮(zhèn)，經(jīng)建德市、衢江區(qū)、柯城區(qū)、常山縣、開化縣，終于開化縣白沙關(guān)浙贛兩省分界處，與江西省境內(nèi)已建成的景婺常（黃）高速公路相接。項目全長128.05 公里，杭新景高速公路工程建設(shè)用地批后監(jiān)測期間高速公路全線通車運行，項目施測需考慮安全、保通、進(jìn)度等因素。傳統(tǒng)的純外業(yè)測繪效率相對較低，傳統(tǒng)的測量方式存在安全隱患，即要求測量人員上高速公路施測，工程進(jìn)度受雨天影響較大。利用無人機低空航測技術(shù)完成此次外業(yè)航飛任務(wù)，獲取該地區(qū)最新的影像數(shù)據(jù)，采用全數(shù)字?jǐn)z影測量法成圖是較好的選擇。

（二）無人機航測工作流程

根據(jù)對測區(qū)的實地調(diào)查情況，結(jié)合現(xiàn)有資料以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，確定杭新景高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測選用成都縱橫垂直起降無人機。該款無人機具有抗風(fēng)能力相對較強，空中飛行姿態(tài)比較穩(wěn)定，比較適合高精度低速航空攝影測量。成都縱橫CW—10 垂直起降固定翼無人機航攝系統(tǒng)，搭載SONY A7R2全畫幅微單相機進(jìn)行航攝作業(yè)，技術(shù)路線如左圖所示。

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005—2010）要求，確定飛行路線、地面分辨率和相對航高。

本次無人機設(shè)計航線飛行方向為高速公路線路飛行，相對航高為460 米，航線重疊度為75%，旁向重疊度50%，像元大小為4.8 微米，影像地面分辨率為0.05 米，有效架次10 次，總共獲取4217 張照片，無人機由于搭載的是非量測相機數(shù)碼相機，其受地區(qū)和環(huán)境的影響較大；無人機航飛相片邊緣易產(chǎn)生相應(yīng)的畸變；因此在空三加密平差時，會針對上述情況，結(jié)合實際，選取合理的加密點，保證空三加密和正射糾正的精度。

（三）數(shù)據(jù)處理軟件介紹

本文引入武漢訊圖公司開發(fā)的GODWORK、EOS 軟件完成正射影像圖制作，使用GODWORK 軟件進(jìn)行影像空三加密平差，恢復(fù)立體像對；結(jié)合全數(shù)字化測圖平臺航天遠(yuǎn)景Mapmartix 軟件進(jìn)行立體測圖，制作相應(yīng)的DLG 數(shù)據(jù)。

（四）數(shù)據(jù)處理

GODWORK 是針對航空遙感影像數(shù)據(jù)研發(fā)的高自動化數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件以當(dāng)前國內(nèi)外主流攝影測量流程為依據(jù)，結(jié)合計算機視覺的最新理論，提出了一套完整的攝影測量數(shù)據(jù)處理解決方案，通過導(dǎo)入控制點生成具有真實地理參考以及詳細(xì)彩色紋理的立體像對和正射影像，生成分辨率約為0.06 米的攝影測量數(shù)據(jù)。

本文使用GPS RTK 動態(tài)量測所需像片控制點，可以同時獲取地物的平面和高程信息，由于無人機航空攝影要求影像重疊度大，基線較短，根據(jù)《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T 7931—2008），外業(yè)像片控制點布設(shè)要求沿高速公路布設(shè)，具體即為沿航向間隔400 米布點。

空三加密是決定無人機航空攝影像成圖精度的關(guān)鍵步驟；本文分別使用GODWORK 軟件中GODWORK—AT 模塊進(jìn)行無人機影像空三加密和平差，軟件通過判讀導(dǎo)入的控制點和量測的控制點之間的偏差，基于Patb 光束法嚴(yán)格平差，計算點位殘差，保證立體測圖所需像對的精度。

其后本文根據(jù)空三加密、平差恢復(fù)的影像立體像對，于數(shù)字化測圖平臺Mapmartix 軟件進(jìn)行DLG 數(shù)據(jù)采集工作。該軟件基于高速公路線路方式的無縫測圖，作業(yè)步驟包括建立工程、引入空三成果、分割模型、分配任務(wù)、客戶端進(jìn)行生產(chǎn)、客戶端成果上交等。

此外軟件不需要提前采集核線，可以采用實時核線進(jìn)行測圖；能根據(jù)外方位元素和影像重疊度自動組合立體像對，生成最佳的交會角，提高測圖的高程精度，也支持自動、手動切換立體模型。這樣的工作方式免除了模型接邊，方便生產(chǎn)人員操作，提高了測圖的效率。

平面精度統(tǒng)計表 單位：米

（五）外業(yè)補繪與調(diào)繪

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需通過外業(yè)補繪與調(diào)繪工作檢核內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)成果，對于內(nèi)業(yè)無法測量、識別的地物通過外業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實地確認(rèn)，主要關(guān)注以下幾個方面。

1.對內(nèi)業(yè)預(yù)判的地形圖要素進(jìn)行核查、糾錯、定性。

2.對內(nèi)業(yè)漏測和難以準(zhǔn)確判繪的圖形信息(如遮蓋區(qū)域)，特別是由于地物遮擋造成的影像模糊，導(dǎo)致少量地物要素難以準(zhǔn)確采集或漏采集的情況。部分線狀懸空的地物，如電力線、鐵絲絨網(wǎng)等，立體模型采集難度大，難以從模型中準(zhǔn)確辨別其走向和連接關(guān)系的情況。

3.對內(nèi)業(yè)難以獲取的屬性信息（如地理名稱等）進(jìn)行調(diào)繪，如檢修井的屬性信息、路名、企事業(yè)單位等注記信息。

（六）數(shù)據(jù)精度分析

影像數(shù)據(jù)依據(jù)《1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T7931—2008）要求獲取全部影像數(shù)據(jù)。采用 GPS—RTK 加密測量航線中像控點的三維坐標(biāo)。使用 GODWORK—AT 軟件對像控點坐標(biāo)精度進(jìn)行分析，可以達(dá)到成圖精度要求。

根據(jù)《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1︰500、1︰1000、1︰2000數(shù)字正射影像圖》（CH/T9008.3—2010）可知，DOM 地物點相對于實地同名點的點位中誤差不得大于平地、丘陵地0.6 毫米，山地、高山地0.8毫米。特殊地區(qū)可放寬0.5 倍，規(guī)定2 倍中誤差為其限差。

無人機正射影像的幾何精度，可以采用影像與控制點、檢查點的套合檢查以及拼接線的檢查。本文利用EOS 軟件可以快速通過多視圖影像對重疊照片進(jìn)行處理，生成的高分辨率正射影像，再利用Photoshop 進(jìn)行勻色修補輸出單幅影像，由圖可知影像接邊處色彩過渡自然，地物接邊合理，人工地物完整，無重影和發(fā)虛現(xiàn)象，實際平面精度可達(dá)0.25 米，滿足上表相關(guān)規(guī)定。

為后續(xù)優(yōu)化空三、立體建模提供精確的地理參考，本文在GODWORK—AT 軟件處理過程中導(dǎo)入的實測控制點數(shù)據(jù)，可以基于照片對齊后生成的稀疏點云，創(chuàng)建的Mesh 手動更新照片上控制點標(biāo)記的位置，再借助軟件匹配提示，實時更新控制點在照片上量測的位置。

根據(jù)無人機航攝影像數(shù)據(jù)的特點，GODWORK—AT 軟件可以自動化進(jìn)行空三數(shù)據(jù)處理，本文根據(jù)《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》確定相關(guān)指標(biāo)精度，設(shè)定平差閾值，保證加密精度。加密之后的測區(qū)控制點平面中誤差約為4.1 厘米，高程中誤差約為6.2 厘米，滿足相關(guān)測圖精度要求。

為評價基于無人機航測技術(shù)的大比例地形圖測繪方法所測1︰1000DLG 的精度水平，對采用本方法完成的杭新景高速公路建德壽昌至開化白沙關(guān)（浙贛界）工程建設(shè)用地批后監(jiān)測1∶1000 比例尺地形圖采用野外散點法分別進(jìn)行平面和高程精度檢測。

平面精度檢測共檢測明顯地物點473 個，剔除9 處粗差，粗差率為1.9%，最大誤差0.290 米，最小誤差0.030 米，中誤差為±0.118 米，小 于《1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T 7930—2008）所規(guī)定的地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差（±0.60 米），檢測數(shù)據(jù)如上表所示。

高程精度檢測共檢測高程點522 個，剔除12 處粗差，粗差率為2.3%，最大誤差0.260 米，最小誤差0.012 米，中誤差為±0.126 米，小于 《1∶500、1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范 》（GB/T 7930—2008）所規(guī)定的高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差（±0.15 米）。

經(jīng)檢驗，該項目的精度達(dá)到規(guī)范“優(yōu)級品”的要求。平面精度與高程精度均滿足杭新景高速公路建德壽昌至開化白沙關(guān)（浙贛界）工程建設(shè)用地批后監(jiān)測項目要求和1∶1000 地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖的規(guī)范要求。

二、批后監(jiān)測的主要技術(shù)問題及解決措施

經(jīng)過本次無人機航測獲取高清正射影像圖和1:1000 大比例尺DLG線劃圖的生產(chǎn)方式，與傳統(tǒng)測量相比，在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、人員安全保障和勞動強度及成果要素全面性等方面都有了極大的提升和突破。

（一）無人機航測

用航測的解決方案來完成整個項目需要做以下工作：1.像控點的布設(shè)；2.航飛；3.空三加密；4.DLG的采集；5.外業(yè)調(diào)繪；6.內(nèi)業(yè)編輯。

（二）傳統(tǒng)測繪

傳統(tǒng)測量的地形圖精度高，但是對儀器、人員等方面要求較高，同時還受外界因素（天氣、溫度、地形條件等）影響較大，無人機航測具有快速方便、勞動強度低等優(yōu)點，同時也存在成圖精度略低于人工測量的精度、空中飛行安全性低等缺點。

（三）無人機航測在高速公路竣工復(fù)測項目應(yīng)用中的創(chuàng)新點和優(yōu)點

經(jīng)實踐證明，利用無人機傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測，能夠滿足規(guī)范精度的要求，是測繪技術(shù)的重大嘗試和成功應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)為以下幾點。

1.作業(yè)效率高，勞動強度小。無人機攝影測量技術(shù)響應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)獲取快捷，作業(yè)效率提升。與傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測繪方法相比，應(yīng)用無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以大幅降低外業(yè)工作量和工作強度。

2.數(shù)據(jù)采集直觀、全面。正射影像數(shù)據(jù)和立體模型數(shù)據(jù)分別從二維和三維世界再現(xiàn)地物的分布特征，直觀、精確地反應(yīng)了項目用地的位置、路基、服務(wù)區(qū)、樞紐互通、鐵絲網(wǎng)、雨水結(jié)水溝和未批先用、批東建西等要素，作業(yè)員可直接在二三維作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和編輯。

3.數(shù)據(jù)精度高，干擾性因素少。在高速公路測量時，作業(yè)員經(jīng)常遇到現(xiàn)場不配合或者地形地貌過于復(fù)雜的現(xiàn)象，從而難以確保地形圖的準(zhǔn)確性。利用無人機攝影技術(shù)進(jìn)行高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測的大比例尺地形圖測繪，以非接觸模式在二三維環(huán)境作業(yè)，可準(zhǔn)確定位地物特征點位，確保數(shù)據(jù)精度和全面性。

三、結(jié)束語

無人機航測是傳統(tǒng)地面測繪的有力補充，在高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測項目中優(yōu)勢明顯，有效彌補了傳統(tǒng)測繪手段在信息化測繪時代難以滿足生產(chǎn)需求的不足，提高了高速公路建設(shè)用地批后監(jiān)測的效率，加快了建設(shè)用地竣工復(fù)測的進(jìn)度，其數(shù)據(jù)精度與傳統(tǒng)測繪相近，顯著縮短了生產(chǎn)周期。隨著無人機攝像分辨率以及穩(wěn)定性的不斷提升，無人機技術(shù)必將在自然資源管理中得到廣泛應(yīng)用。但是在對隱蔽工程、水下工程或者被樹木遮蓋區(qū)域，傳統(tǒng)的實地勘察巡檢工作仍然是有必要的。