公路勘察設(shè)計(jì)中無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

彭 四，劉吉明

（中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430000）

1 無人機(jī)航測(cè)在地形測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升背景之下，無人機(jī)的應(yīng)用范圍逐步延展，與航空攝影測(cè)量技術(shù)融合后，可為項(xiàng)目勘測(cè)工作提供支持?；谠摷夹g(shù)的應(yīng)用，可為工程人員呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建三維模型，以便給設(shè)計(jì)與施工提供可靠指導(dǎo)。

1.1 周期短、靈活度高

無人機(jī)的突出優(yōu)勢(shì)在于改變了人員機(jī)內(nèi)操作的方式，可控性更高，在一系列緊急任務(wù)中具有較好的應(yīng)用效果，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)。從現(xiàn)有技術(shù)水平來看，單個(gè)無人機(jī)連續(xù)工作一周覆蓋的區(qū)域總面積可達(dá)2100km2。不僅如此，無人機(jī)測(cè)量產(chǎn)生的信息可及時(shí)匯總并完整傳輸至管理基地，整個(gè)環(huán)節(jié)效率較高。不同于有人機(jī)的是，無人機(jī)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，不易受到外界環(huán)境影響，實(shí)際工作中無需考慮各類外界因素的干擾，遇突發(fā)事故時(shí)可靈活應(yīng)變；無需煩瑣的運(yùn)行環(huán)節(jié)，僅注冊(cè)飛行即可，有效縮短了項(xiàng)目周期，且在多類場(chǎng)地中均可穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 分辨率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

無人機(jī)融入了行業(yè)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，所適配的成像設(shè)備普遍具備較高分辨力，通過低空飛行（工作點(diǎn)與地面間距常控制在1000m以下），可獲得更為清晰的圖像，測(cè)量地形的各處細(xì)節(jié)均可準(zhǔn)確呈現(xiàn)。

1.3 飛行航線合理、成本低

無人機(jī)的運(yùn)行是基于特定程序而實(shí)現(xiàn)的，以測(cè)量要求為準(zhǔn)，向設(shè)備內(nèi)預(yù)設(shè)相應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)際運(yùn)行中精度更為良好、飛行姿態(tài)也可滿足要求?；诖颂攸c(diǎn)，在地形測(cè)量中具備優(yōu)良的應(yīng)用效果，在地形復(fù)雜地區(qū)也可有效航測(cè)。

1.4 安全性能高

從安全性上來看，使用無人機(jī)測(cè)量具有較高的安全系數(shù)，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）空域限制小，無人機(jī)可在各種地形上使用；（2）天氣限制小，即使在惡劣的環(huán)境下，無人機(jī)依然可以人為操控，完成勘測(cè)任務(wù)；（3）人員傷亡小，有效保障了工作人員的工作安全。鑒于上述原因，使用無人機(jī)勘測(cè)地形，在低空測(cè)繪方面有著較高的使用率。當(dāng)勘測(cè)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高時(shí)，可以有效避免人員傷亡，從而規(guī)避勘測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。

2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用流程

2.1 像控點(diǎn)的布設(shè)與相機(jī)檢校

準(zhǔn)備工作是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高效作業(yè)的必要前提，其中以控點(diǎn)的布設(shè)和相機(jī)檢校最為關(guān)鍵。以合理的方式設(shè)置像控點(diǎn)，可提升攝影角度的合理性，以便為攝像的精準(zhǔn)性提供保障。基于此，相關(guān)人員必須注重對(duì)像控點(diǎn)的設(shè)置，并詳細(xì)檢校相機(jī)各細(xì)節(jié)之處。在衛(wèi)星定位技術(shù)的支持下，可取得較準(zhǔn)確的像控點(diǎn)布設(shè)結(jié)果，并使用相機(jī)對(duì)其檢驗(yàn)。若像控點(diǎn)的布設(shè)缺乏合理性，則要靈活校正，并再次檢驗(yàn)，直至所有像控點(diǎn)都與航測(cè)要求相符?，F(xiàn)階段，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)雖然取得了較廣泛應(yīng)用，但依然有較大的技術(shù)上升空間，提高像控點(diǎn)布設(shè)精度是重要的突破口?？傮w上，像控點(diǎn)的布設(shè)必須足夠合理，相機(jī)檢校也應(yīng)落實(shí)到位，作為基礎(chǔ)性工作，均會(huì)對(duì)航測(cè)結(jié)果精確性造成影響。

2.2 航空攝影

根據(jù)航測(cè)要求確定合適的像控點(diǎn)，隨后再進(jìn)行調(diào)試，以確保攝影圖像達(dá)到最清晰的效果。結(jié)束上述準(zhǔn)備工作后，即可正式攝影。不同于常規(guī)攝影方式的是，航空攝影對(duì)設(shè)備要求更高，因此相機(jī)的配置尤為關(guān)鍵，否則將對(duì)影像的清晰度造成影響，使其出現(xiàn)模糊等問題。高性能相機(jī)是創(chuàng)建高精準(zhǔn)度圖像的必要前提，可幫助工程人員獲得精確的數(shù)據(jù)，以便為設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)提供參考。因此，相關(guān)人員需從實(shí)際航測(cè)需求出發(fā)，選擇合適的設(shè)備。

2.3 制作正射影像圖

通過無人機(jī)拍攝后，將各階段的影像資料完整記錄，匯總至系統(tǒng)中進(jìn)行深入的分析，從而獲得更具指導(dǎo)價(jià)值的數(shù)據(jù)。通常情況下，正射影像類軟件是較為可行的平臺(tái)，其可針對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)做技術(shù)性分析。從工作流程來看，首先收集所有航拍數(shù)據(jù)，根據(jù)三維散點(diǎn)創(chuàng)建正射影像，而這一流程的實(shí)現(xiàn)必須建立在航測(cè)數(shù)據(jù)足夠精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，否則會(huì)對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來影響。同樣，正射影像圖可為測(cè)量工作提供指導(dǎo)，若要有序完成后續(xù)各環(huán)節(jié)施工作業(yè)，就必須提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的正射影像，以便給公路的施工建設(shè)創(chuàng)造良好條件。

2.4 可視模型的制作

準(zhǔn)確掌握公路地形地貌是高效施工的關(guān)鍵，為達(dá)到這一效果，要將測(cè)量數(shù)據(jù)匯總，首先創(chuàng)建正射影像，隨后再生成可視模型，此方式可更為直觀地呈現(xiàn)勘察公路的地形情況，有助于工程人員分析現(xiàn)場(chǎng)情況，更全面地掌握地貌特點(diǎn)。創(chuàng)建的三維立體模型必須具備可視化的特點(diǎn)，進(jìn)而為分析工作提供可靠資料，縮短工作時(shí)間，創(chuàng)造更可觀的工作效率。

3 測(cè)區(qū)概況

此處以凱菲至馬庫爾迪公路改擴(kuò)建工程為例進(jìn)行說明。該項(xiàng)目起點(diǎn)位于尼日利亞納薩拉瓦州，全線長度超過210km，項(xiàng)目設(shè)計(jì)走廊帶為200m，測(cè)區(qū)地勢(shì)比較平坦，高差起伏變化不大，現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。為掌握沿線地形地貌情況，采用無人機(jī)航測(cè)的方式，分析數(shù)據(jù)并創(chuàng)建模型。

4 工程實(shí)施

考慮到項(xiàng)目施工要求，結(jié)合與施工現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)的資料，繪制實(shí)施流程，具體如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航測(cè)工作流程

4.1 像控點(diǎn)布設(shè)

該區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)為平高點(diǎn)和檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)形狀采用直徑60cm圓形，布設(shè)材料泥質(zhì)地面使用白石灰粉，瀝青路水泥地等硬質(zhì)地面使用白色油漆布設(shè)。

區(qū)域網(wǎng)的圖形應(yīng)成矩形或方形，區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點(diǎn)的跨度以能夠滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則，航向隔1km布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，間隔一條航線布設(shè)像片平高點(diǎn)，控制點(diǎn)成組布設(shè)，共布設(shè)像控點(diǎn)102個(gè)。

4.2 航空攝影

根據(jù)勘察工作量選擇合適設(shè)備，該項(xiàng)目為KC2000型無人機(jī)，為滿足攝影要求，適配NI-KOND800相機(jī)，通過兩類設(shè)備相配合的方式完成航空攝像任務(wù)。測(cè)量系統(tǒng)選擇的是我國自主研發(fā)的附件CURS系統(tǒng)。以1∶1000的比例標(biāo)準(zhǔn)生成航測(cè)地圖，將航測(cè)現(xiàn)場(chǎng)劃分為2個(gè)區(qū)域。

參考《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005—2010），結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，確定航高為80m，任務(wù)執(zhí)行過程中航向重疊度75%，共生成457張像片[1]。

4.3 內(nèi)業(yè)加密

首先做好業(yè)內(nèi)加密前的準(zhǔn)備工作，即確定像控點(diǎn)，通過畸變差改正的方式提升成像結(jié)果精確性，對(duì)各像控點(diǎn)做準(zhǔn)確的標(biāo)記并詳細(xì)說明。經(jīng)上述工作后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)加密，此處選擇的是DAT Matrix軟件。

4.4 DOM制作

基于DEM數(shù)據(jù)，加之加密成果，可針對(duì)原始影像執(zhí)行正射糾正操作，此處選擇的是Map Matrix平臺(tái)，經(jīng)處理后再利用EPT拼接，獲得結(jié)果并導(dǎo)入Photoshop，全面檢查拼接影像的各個(gè)細(xì)部，若存在重影等問題，及時(shí)對(duì)其采取糾正措施，各項(xiàng)信息都無誤后最終創(chuàng)建DOM數(shù)據(jù)。

4.5 DLG生產(chǎn)

匯總航測(cè)數(shù)據(jù)，在工作采集平臺(tái)的輔助下創(chuàng)建立體模型，切換至立體模式，在此環(huán)境下準(zhǔn)確掌握各區(qū)域地物、地貌的實(shí)際情況[2]。根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際情況，DLG等高距均設(shè)定為2m。

通過業(yè)內(nèi)采集的方式可以形成線劃圖，在此基礎(chǔ)上執(zhí)行外業(yè)調(diào)繪處理。實(shí)際工作中，安排專業(yè)人員深入勘察現(xiàn)場(chǎng)定性補(bǔ)調(diào)，為與既有資料有效區(qū)分，該項(xiàng)目通過藍(lán)色簽字筆描繪調(diào)繪內(nèi)容，所有補(bǔ)調(diào)內(nèi)容均使用紅色簽字筆描繪，要求所有工具的線寬均控制在0.3mm以下，將各項(xiàng)內(nèi)容精準(zhǔn)呈現(xiàn)至圖紙上。除此之外，關(guān)于房檐改正，此部分選擇的是藍(lán)色簽字筆，將實(shí)際改正數(shù)準(zhǔn)確標(biāo)記出來，且此部分?jǐn)?shù)據(jù)均要在改正邊長的內(nèi)部。

通過改檐后房角完成補(bǔ)測(cè)作業(yè)，部分區(qū)域僅利用皮尺難以達(dá)到精確定位的效果，或是出現(xiàn)定位難度較大的現(xiàn)象時(shí)，首先要描繪地物形狀，確定各定位點(diǎn)，再通過全站儀測(cè)量定位點(diǎn)（根據(jù)實(shí)際情況可靈活應(yīng)用GPS-RTK等技術(shù)），安排調(diào)繪人員確認(rèn)，要求所有新增地物都被準(zhǔn)確呈現(xiàn)出來，不可遺漏。

4.6 數(shù)據(jù)精度分析

檢測(cè)結(jié)果需如實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情況，否則將導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)偏差，甚至引發(fā)施工質(zhì)量問題。根據(jù)該標(biāo)段的實(shí)際情況，確定了61個(gè)地面特征點(diǎn)，還增設(shè)了28個(gè)平面檢查點(diǎn)，將此部分作為平面檢查點(diǎn)；除此之外，還采集了70個(gè)高程點(diǎn)，此部分均為高程檢查點(diǎn)。

分析各類檢查點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，根據(jù)所得結(jié)果得知，地面特征點(diǎn)為0.515m、房屋角點(diǎn)為0.546m、高程檢查點(diǎn)為0.426m。綜合對(duì)比《公路勘測(cè)規(guī)范》（JTG C10—2007）所提標(biāo)準(zhǔn)，表明所有誤差都控制在合理范圍內(nèi)，達(dá)到航空攝影測(cè)量所提出的精確要求，因此所提的無人機(jī)航測(cè)方法具有可行性[3]。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章從無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的基本特點(diǎn)出發(fā)，總結(jié)實(shí)施流程，并引入工程實(shí)例作針對(duì)性分析，提出與工程情況相適應(yīng)的攝影測(cè)量方法，所得結(jié)果表明該方法取得的檢測(cè)結(jié)果精度較高，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)文章的分析，以期給無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供參考。