淺談無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在高邊坡測(cè)量中的應(yīng)用

孔德抗

中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司

1 引言

無(wú)人機(jī)技術(shù)用于地理信息測(cè)量，可以利用其搭載的攝像頭在高空實(shí)現(xiàn)大角度、立體化的拍攝，自動(dòng)化程度較高，獲得的信息全面而又準(zhǔn)確，因此在公路測(cè)繪、全景圖像生成等方面有廣泛的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)拍攝出來(lái)的地面景象不容易失真，并且能夠?qū)@些原始景象數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，獲得理想的顯示效果，便于人眼識(shí)別，便于直接使用。因此，帶來(lái)了很好的用戶體驗(yàn)，具有很高的科研以及商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

2 概述

柳州市蓮花大道工程主線道路全長(zhǎng)5370.301m，包含11 處多級(jí)不規(guī)則高邊坡。傳統(tǒng)上，對(duì)于高邊坡的測(cè)量，一般采用人工操作全站儀、GPS儀的方式進(jìn)行，本次采用無(wú)人機(jī)航拍航測(cè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)全景式測(cè)量，收到了良好的效果。

之前采用傳統(tǒng)人工方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般需要用十幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能完成一處高邊坡的測(cè)量工作，現(xiàn)在采用無(wú)人機(jī)航測(cè)方法之后，基本上原來(lái)十幾個(gè)小時(shí)的工作量幾分鐘之內(nèi)就能完成，大大提高了工作效率。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)拍攝出來(lái)的效果很好，尤其是對(duì)于邊坡呈不規(guī)則形狀的地方，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)更有權(quán)威性。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

3.1 航拍特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)航測(cè)航拍技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是利用了無(wú)人機(jī)的高空無(wú)障礙飛行、搭載的攝像頭可以全方位工作等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活基礎(chǔ)上的高效拍攝，尤其是對(duì)于人跡難以到達(dá)的區(qū)域更是具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)航拍出來(lái)的圖像很清晰，可以采用不同的比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯示，經(jīng)常用在小面積區(qū)域（如各種道路、橋梁、海岸線等）的攝影測(cè)量過程中。

3.2 航拍攝影測(cè)量原理

無(wú)人機(jī)航拍就是將特定用途的攝像頭搭載在無(wú)人機(jī)上，通過操縱搖桿對(duì)地面掃描獲取各種影像數(shù)據(jù)。這種技術(shù)的具體操作方法是：用遙控器控制飛機(jī)，通過規(guī)劃的航線來(lái)回飛行獲取坡體數(shù)據(jù)；然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，用各種數(shù)學(xué)算法建立幾何模型，并進(jìn)行顯示，同時(shí)也可以基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行特定用途的分析。

3.3 航拍準(zhǔn)備

（1）觀察。每當(dāng)要拍攝一個(gè)不熟悉的地點(diǎn)時(shí)，打開衛(wèi)星地圖軟件，讓自己對(duì)這個(gè)地點(diǎn)有個(gè)清晰的概念和認(rèn)知。利用衛(wèi)星地圖軟件可以對(duì)要航拍的區(qū)域有一個(gè)大體的了解，識(shí)別出各種建筑物、停車場(chǎng)、道路、橋梁等，提前確定好航拍區(qū)域的整體概況，有利于選擇具體的航拍位置和角度。在這個(gè)基礎(chǔ)上，還可以提前選定標(biāo)致性的建筑物，便于對(duì)航拍區(qū)域進(jìn)行定位和標(biāo)注。同時(shí)，要基于這些信息制定航拍計(jì)劃，對(duì)航拍作業(yè)有一個(gè)整體的規(guī)劃，從而確保航拍效果達(dá)到預(yù)期。

（2）選擇起飛點(diǎn)。一般，起飛點(diǎn)選擇在視野開闊的區(qū)域，這樣有利于操作手的操作，同時(shí)也有利于各種遙控信號(hào)、圖像數(shù)據(jù)的傳輸。選擇起飛點(diǎn)時(shí)，還要考慮到航拍畫面起幅或落幅處是否有合適的前景，這也可以作為選擇的一項(xiàng)參考。

（3）航線規(guī)劃。進(jìn)行航線選擇時(shí)，首先需要確保安全，確保無(wú)人機(jī)在該航線上不會(huì)遇到特殊的氣流、人為攻擊等；其次要確保航拍的效果，要確保拍攝角度比較好，并且拍攝出來(lái)的圖像符合要求，具有較高的辨識(shí)度；第三要確保沒有大的障礙，尤其是影響到遙控信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)傳輸?shù)恼系K，確保信號(hào)能夠順利傳輸；最后要盡量選擇比較短而又拍攝角度比較廣的航線，盡可能地降低成本。

3.4 像控點(diǎn)的選擇

像控點(diǎn)的選擇直接影響到成圖的數(shù)學(xué)精度，如果選擇位置不當(dāng)，其結(jié)果不僅影響內(nèi)業(yè)成圖的質(zhì)量，而且將會(huì)對(duì)實(shí)地觀測(cè)作業(yè)與內(nèi)業(yè)成圖工作造成一定困難。無(wú)論是平面點(diǎn)、高程點(diǎn)或平高點(diǎn)均要選擇在明顯目標(biāo)點(diǎn)上，明顯目標(biāo)點(diǎn)是影像位置可以明確辨認(rèn)的點(diǎn)。一般地區(qū)較理想的明顯目標(biāo)是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點(diǎn)和地物拐角上，特別是固定的田角和道路交叉經(jīng)常作為優(yōu)先選點(diǎn)的理想目標(biāo)。

3.5 航線規(guī)劃

為了使航線規(guī)劃更準(zhǔn)確，使用Altizure 軟件進(jìn)行航線規(guī)劃，規(guī)劃完成后自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)飛行。具體步驟為：（1）無(wú)人機(jī)飛行前，進(jìn)入APP新建任務(wù)。（2）框定目標(biāo)區(qū)域。（3）設(shè)置相關(guān)參數(shù)、保存任務(wù)（一般情況下，重疊度設(shè)置為80%，相機(jī)傾斜角為45°）。（4）開始任務(wù)、上傳任務(wù)。（5）上傳任務(wù)成功，開始飛行，飛往第一條航線起點(diǎn)，開始第一線路飛行，自動(dòng)拍照啟動(dòng)，第一條線路飛行完畢，繼續(xù)任務(wù)，到達(dá)第2條任務(wù)路線起點(diǎn)，隨后繼續(xù)開始飛行，重復(fù)以上操作，直到飛完所有線路（5條），任務(wù)完成，自動(dòng)返航。需要注意的是，飛行前確保周圍環(huán)境安全，只能規(guī)劃矩形飛行區(qū)域。

3.6 軟件制作三維模型

利用Pix4Dmapper將無(wú)人機(jī)拍攝影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。在建模過程中，加入控制點(diǎn)可提高生成模型的精度。通常控制點(diǎn)選取占照片比例的6%左右，在高程變化大的區(qū)域更多的控制點(diǎn)可提高高程精度。在圖像上刺出控制點(diǎn)，控制點(diǎn)不要做在太靠近測(cè)區(qū)邊緣的位置。

4 實(shí)用案例

蓮花大道項(xiàng)目高邊坡航測(cè)。高邊坡位于蓮花大道YK4+938～YK5+026m段右側(cè)，總長(zhǎng)約90m，該邊坡按三級(jí)放坡開挖，坡高在16.1m～36.6m 之間，放坡坡率在1：0.72～1：0.80 之間；該邊坡為巖土質(zhì)高邊坡，地處柳東碎屑巖山區(qū)，巖性雜亂，多種巖性共存，淺表覆蓋少量殘坡積土體，該邊坡穩(wěn)定性較差，高邊坡開挖后及時(shí)施做錨索框架梁，由于雨季的大量沖刷，使邊坡左側(cè)部分土體發(fā)生滑移變形現(xiàn)象。利用航測(cè)技術(shù)及時(shí)測(cè)出邊坡變形情況，并加固了坡腳，及時(shí)進(jìn)行了處理。航測(cè)過程如下：（1）首先進(jìn)行航線規(guī)劃、生成數(shù)字表面模型（DSM）。（2）生成點(diǎn)云三維模型。（3）加密點(diǎn)云三維模型。（4）基于加密點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成邊坡三維模型。

5 航測(cè)過程遇到的問題及解決方法

5.1 建模效果模糊度過高

原因分析：①無(wú)人機(jī)拍攝過程出現(xiàn)姿態(tài)的失穩(wěn)。②基于本次大疆精靈4設(shè)備的地面站軟件設(shè)置問題。解決辦法：①選擇適合飛行的天氣，避免光照強(qiáng)度過高的時(shí)間段以及大風(fēng)天氣。②地面站軟件的設(shè)置中，有一項(xiàng)是關(guān)于拍攝時(shí)間間隔的設(shè)置，時(shí)間間隔設(shè)置大的話，會(huì)出現(xiàn)無(wú)人機(jī)懸停，保證重合度的情況下，有時(shí)間穩(wěn)定姿態(tài)。

5.2 內(nèi)業(yè)處理區(qū)域大小的選擇

原因分析：區(qū)域選擇不合理，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)不參與計(jì)算。丟失數(shù)據(jù)解決辦法：通過量測(cè)此區(qū)域的距離，可以看出出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的開始到最后，距離為79.67m。后續(xù)在區(qū)域選擇的時(shí)候，建議至少將選擇區(qū)域選擇比成果范圍大80m（基于45 度角的傾斜攝影標(biāo)準(zhǔn)）。

5.3 生成格式的選取與劃分區(qū)塊的選擇

選取適合自己需要的格式：①OSGB 是通用模型格式，但是Smart3D里邊劃分區(qū)塊進(jìn)行處理的，最后的成果不會(huì)包含索引文件，導(dǎo)致無(wú)法在3D Viewer 全部顯示。建議OSGB 的格式不要?jiǎng)澐謪^(qū)塊，但是對(duì)電腦配置要求很高，主要是內(nèi)存。②S3C的格式為軟件自己的格式，能夠很好的兼容軟件，并且展示出成果。其他格式根據(jù)需要自己設(shè)定。

5.4 部分區(qū)塊處理失敗

解決辦法：右擊失敗的區(qū)塊，重新提交任務(wù)就好。如果遇見處理失敗的情況，建議不要著急重新提交，等整個(gè)數(shù)據(jù)處理完畢，然后再重新提交處理失敗的任務(wù)。因?yàn)楸敬问褂玫慕虒W(xué)版軟件，無(wú)法保證軟件的穩(wěn)定性，著急處理失敗的區(qū)塊容易導(dǎo)致后續(xù)任務(wù)全部處理失敗，并且無(wú)法繼續(xù)處理下去。

5.5 航線規(guī)劃以及去除冗余航線，減少影像數(shù)據(jù)量

在拍攝的時(shí)候，遇到規(guī)則的建筑群，合理的規(guī)劃航線，使無(wú)人機(jī)成45°角從建筑的斜角進(jìn)行拍攝，能夠省去俯拍的數(shù)據(jù)，采取合理的角度，不僅能夠減少數(shù)據(jù)量，還能使拍攝相片更清晰，增加建模精度，減少建模時(shí)間。采取無(wú)人機(jī)調(diào)查拍攝區(qū)域，選擇合理的角度進(jìn)行傾斜攝影，減少模型變形量。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，以數(shù)字傳感器為任務(wù)載荷，以獲取高分辨率遙感影像為目標(biāo)，其信息獲取準(zhǔn)確、及時(shí)，能夠通過機(jī)上搭載的高分辨率數(shù)碼相機(jī)獲取區(qū)域影像，提供實(shí)時(shí)、清晰、直觀、準(zhǔn)確、可靠的影像信息，有效地提高資料時(shí)效性、針對(duì)性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是目前為止成本較為低廉、測(cè)量迅速、測(cè)量準(zhǔn)確的一種測(cè)繪手段，在公路崩滑陡峭地段測(cè)量的應(yīng)用前景十分廣闊，可取得良好的效益。不僅能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)繪手段的不足，還能夠使得測(cè)繪手段不斷的呈現(xiàn)出信息化測(cè)繪特點(diǎn)，從而提高對(duì)于公路測(cè)繪的效率，促進(jìn)了無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)的不斷發(fā)展。