無人機(jī)攝影測量在道路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

□□ 高潤杰 (武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023)

引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)方法，使用現(xiàn)代化設(shè)備可以在道路工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和運(yùn)營等各階段對其進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而提高道路工程的使用性能和使用壽命。無人機(jī)新型攝影測量技術(shù)結(jié)合了航空和地面攝影測量技術(shù)，并且配備多種智能傳感器，可以同時(shí)采集多種數(shù)據(jù)信息。在道路工程的各階段中應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)可以得到更加準(zhǔn)確和豐富的工程數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)結(jié)果可視化、數(shù)字化，這將極大地提高道路工程領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量和水平[1-2]。

1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)工作步驟

1.1 航線規(guī)劃

采用無人機(jī)進(jìn)行攝影測量任務(wù)需要考慮許多因素。首要需要決定的是無人機(jī)飛行是在GPS航點(diǎn)之間的自動(dòng)控制還是手動(dòng)控制。在任何一種情況下，都需要在升空前分析測量區(qū)域。在任務(wù)開始之前，需要識(shí)別障礙物，如電線、建筑物、禁飛區(qū)域或其他潛在的障礙物等。使用手動(dòng)模式或自動(dòng)控制取決于多種因素，但最重要的是明確區(qū)分實(shí)時(shí)事件的監(jiān)測。這兩種飛行模式都可以其中一種方式飛行，或者以手動(dòng)和自動(dòng)控制的混合方式飛行。手動(dòng)控制模式通常在對實(shí)時(shí)信息檢查時(shí)更好用；當(dāng)創(chuàng)建地圖時(shí)自動(dòng)控制更好用。

飛行航線規(guī)劃是無人機(jī)攝影測量的重要組成部分。首先根據(jù)不同比例尺的成圖要求，綜合地形條件及等高距等要素，應(yīng)選擇時(shí)間節(jié)省且經(jīng)濟(jì)合理的地面分辨率。其次需要對攝影測量區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，由于無人機(jī)工作時(shí)間較短，成像像幅較小，有效測量范圍有限。同時(shí)道路線位較長，所以需要進(jìn)行分區(qū)。無人機(jī)航線規(guī)劃應(yīng)確保有足夠數(shù)量的縱向和橫向攝影重疊，這將更好地保證處理軟件能夠識(shí)別每個(gè)圖像之間的共同點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)一定的圖像重疊，需要平衡飛行速度與相機(jī)拍照的間隔、飛行高度、橫斷面間距、所用相機(jī)幾何形狀等之間的關(guān)系。更高的圖像重疊意味著無人機(jī)須采取更多的飛行路徑，這將使飛行時(shí)間延長[3]。

1.2 控制點(diǎn)布設(shè)

地面控制點(diǎn)的布設(shè)是無人機(jī)攝影測量工作的基礎(chǔ)，所以地面控制點(diǎn)的設(shè)定位置、測量精度和準(zhǔn)確精度會(huì)對無人機(jī)攝影測量結(jié)果的精度和質(zhì)量造成直接影響。對地面控制點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)也是無人機(jī)起飛之前的準(zhǔn)備工作，在此之前應(yīng)該對測量區(qū)域進(jìn)行充分的調(diào)查以掌握準(zhǔn)確的參考依據(jù)。目前可根據(jù)測量區(qū)域現(xiàn)成的地形圖資料來布設(shè)地面控制點(diǎn)，進(jìn)一步可借助衛(wèi)星導(dǎo)航等網(wǎng)絡(luò)數(shù)字地圖資源來對地面控制點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。測量地面控制點(diǎn)應(yīng)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)形式，確保所有的控制點(diǎn)都是平高控制點(diǎn)，并且平高點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)保持在重疊中線的附近[4]。

1.3 飛行測量及數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)飛行操作人員主要是對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保在緊急或突發(fā)情況時(shí)可以對無人機(jī)進(jìn)行人為控制；同時(shí)由專人負(fù)責(zé)拍攝航線、無人機(jī)飛行情況監(jiān)測、調(diào)整攝像頭姿態(tài)等。在準(zhǔn)備工作完成后，即可根據(jù)前期所制定的航線、航高進(jìn)行無人機(jī)飛行。目前無人機(jī)的自動(dòng)化程度均有很大提升，所以在航行測量的過程中不需要過多的人為操控，但是為了保證無人機(jī)飛行中的絕對安全，必須時(shí)刻監(jiān)視無人機(jī)的工作情況和記錄無人機(jī)的各項(xiàng)飛行參數(shù)[5]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及影像生成

無人機(jī)攝影測量得到的飛行數(shù)據(jù)主要包括：數(shù)碼相片、相機(jī)檢校參數(shù)、地面控制點(diǎn)坐標(biāo)、測量點(diǎn)坐標(biāo)、航線方向及飛行信息等。攝影測量的數(shù)據(jù)處理步驟為表面重建、4 D產(chǎn)品生成和特征提取，包括數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃地圖(DLG)和數(shù)字柵格地圖(DRG)的生成。在確定拍攝的數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)空中三角測量及自動(dòng)圖像匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化重建，數(shù)字化模型可以真實(shí)反映人文特征、自然特征等。為了確認(rèn)結(jié)果的真實(shí)性需要進(jìn)行精度分析，在專業(yè)軟件下完成精度處理，確認(rèn)是否達(dá)到成圖要求[6]。

2 無人機(jī)在道路工程中的應(yīng)用

2.1 勘察設(shè)計(jì)

路線勘測是道路選線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。以往的勘測工作由于技術(shù)落后，由人工進(jìn)行外業(yè)勘測和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，此過程由于各種因素的影響往往會(huì)造成較大的誤差，進(jìn)一步對道路選線設(shè)計(jì)造成不利影響。而無人機(jī)攝影測量技術(shù)在提高勘測精度、減少工作量等方面具有重要意義。張浩等[7]結(jié)合北京某高速公路勘測及選線的具體實(shí)例，建立了無人機(jī)航測方法及工作流程，根據(jù)生成的數(shù)字正射影像圖、DEM模型建立了三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地形區(qū)域的優(yōu)化選線決策，提高了道路選線的效率和準(zhǔn)確度。鄭程輝[8]參考國道353松溪城區(qū)段改線工程，利用無人機(jī)攝影測量方法繪制了1∶2 000的數(shù)字線劃圖，并且通過精度分析證明其完全滿足要求。徐海鋒[9]針對位于陽朔縣興坪鎮(zhèn)的擬建項(xiàng)目，通過實(shí)踐說明了無人機(jī)攝影測量技術(shù)在精度上完全可以達(dá)到1∶1 000的測圖要求。此外，在國外的道路工程勘測中，無人機(jī)攝影測量技術(shù)也得到了推廣。鄭亮等[10]以巴基斯坦PKM項(xiàng)目為例，運(yùn)用該技術(shù)在公路進(jìn)行地形測繪，結(jié)果表明獲取的遙感影像進(jìn)行航測成圖，平面及高程精度完全能夠滿足JTG C10—2007《公路勘測規(guī)范》對平原地區(qū)1∶2 000的比例尺地形圖精度要求。王永杰[11]以厄瓜多爾瓜蘭達(dá)市公路項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目位于山地，考慮地形圖精度要求，像控點(diǎn)布置間距為200 m，并針對內(nèi)業(yè)過程中出現(xiàn)的空三運(yùn)算不通過以及出現(xiàn)卷曲或斷裂現(xiàn)象，提出建議：一是進(jìn)行空三計(jì)算步驟前，應(yīng)先導(dǎo)入相機(jī)畸變參數(shù)，以便修正照片；二是針對面積較大的三維建模，應(yīng)將其進(jìn)行分區(qū)后再進(jìn)行空三計(jì)算；三是如果Context Capture處理結(jié)果不良，可嘗試使用Photoscan進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

相較于傳統(tǒng)的路線勘探工作，采用無人機(jī)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集具有明顯的優(yōu)勢。在山區(qū)和林地等地形地質(zhì)復(fù)雜的條件下，采用無人機(jī)進(jìn)行勘測不僅可以保障測量人員的安全，避免在危險(xiǎn)環(huán)境下工作；同時(shí)采用無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字化和信息化的結(jié)果，其精度和準(zhǔn)確率得到顯著提升；在路線優(yōu)選方面，通過無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)可以生成數(shù)字化可視三維模型，通過路線設(shè)計(jì)線位與地形模型相結(jié)合，能夠使復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的選線更加精確，顯著提高道路選線的效率和準(zhǔn)確率，為后續(xù)道路設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 建設(shè)施工

在道路交通工程施工過程中，施工種類多，且道路施工作業(yè)面地點(diǎn)不斷變化，定點(diǎn)監(jiān)督不易實(shí)施。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無人機(jī)信息采集平臺(tái)構(gòu)建自動(dòng)化和智能化的施工現(xiàn)場安全檢查系統(tǒng)已逐漸得以實(shí)施。牛皓偉[12]采用無人機(jī)航測采集立體和平面施工作業(yè)面，對道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重構(gòu)，同時(shí)以圖像方位姿態(tài)信息對道路施工進(jìn)行高分辨率的大視野無縫圖像拼接處理，進(jìn)而可以對現(xiàn)場施工實(shí)行可視化監(jiān)督，同時(shí)體現(xiàn)道路施工的現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)，對施工設(shè)備的工作運(yùn)行狀態(tài)以及施工進(jìn)度進(jìn)行掌握，科學(xué)監(jiān)督現(xiàn)場施工進(jìn)度，加強(qiáng)對施工現(xiàn)場的管理工作。黃飛新等[13]在惠清高速公路項(xiàng)目中，通過研究“基于無人機(jī)技術(shù)的高速公路建設(shè)施工信息化管理應(yīng)用”科研項(xiàng)目，將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于施工現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)了公路建設(shè)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的及時(shí)掌握，加強(qiáng)了對“高、陡、滑、深”等復(fù)雜施工的現(xiàn)場監(jiān)督，并通過對現(xiàn)場原貌進(jìn)行三維還原，從施工狀態(tài)、質(zhì)量及安全等多方面對項(xiàng)目施工進(jìn)行信息化管理，提高了施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。周英勇[14]針對無人機(jī)在工程測量和施工過程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，同時(shí)在項(xiàng)目上選取了2 km的市政道路進(jìn)行無人機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明：此技術(shù)現(xiàn)階段仍不能直接得到原地面的填挖土方數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步通過專業(yè)軟件將三維模型轉(zhuǎn)換成二維模型，并改變成CAD平面圖的形式，從而實(shí)現(xiàn)對原地面土方數(shù)據(jù)量的計(jì)算。

現(xiàn)代道路施工已經(jīng)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的施工模式，結(jié)合信息技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的數(shù)字化模型在施工過程中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。通過無人機(jī)對道路施工作業(yè)面進(jìn)行攝影，能夠建立高精度圖像管理系統(tǒng)，全方位多角度對施工作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)督。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集和數(shù)字模型重構(gòu)，可以聚焦于關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)信息處理計(jì)算得到更為精確的施工狀態(tài)信息。在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工時(shí)，采用無人機(jī)可以對任何點(diǎn)位、任何狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和數(shù)據(jù)采集，不僅保證施工質(zhì)量，同時(shí)也減少了施工人員高危環(huán)境的操作，確保施工過程的安全有序。

2.3 養(yǎng)護(hù)管理

目前道路養(yǎng)護(hù)檢測主要依靠道路檢測車，因此自動(dòng)化水平、能耗及工作人員勞動(dòng)工作環(huán)境有待進(jìn)一步提高，將無人機(jī)技術(shù)與路面養(yǎng)護(hù)檢測技術(shù)相結(jié)合，可充分發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢。谷雷[15]針對邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查工作量大的特點(diǎn)，采用了無人機(jī)技術(shù)展開養(yǎng)護(hù)巡查任務(wù)。通過巡查航攝，實(shí)時(shí)了解截水溝是否存在堵塞等病害，同時(shí)進(jìn)一步確認(rèn)邊坡表面是否存在沉陷、脫落及裂縫等，結(jié)果表明：在高速公路邊坡養(yǎng)護(hù)工作中使用無人機(jī)不僅能節(jié)省人力、降低工作強(qiáng)度，還能保證巡查工作的全面性和及時(shí)性。呂夢[16]通過分析邊坡的環(huán)境特征、巡查特點(diǎn)，對無人機(jī)在邊坡養(yǎng)護(hù)巡查的應(yīng)用進(jìn)行研究，并以漢寧高速邊坡為例進(jìn)行試驗(yàn)，相比人工檢查方式，工作效率提高了43.5%，并降低了工作強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。馮志楊[17]以無人機(jī)作為平臺(tái)對高速公路道路裂縫病害進(jìn)行檢測，建立了一套符合無人機(jī)平臺(tái)的路面裂縫檢測系統(tǒng)，在路面裂縫識(shí)別方面取得了良好的應(yīng)用成果，實(shí)現(xiàn)在航拍圖像中進(jìn)行道路裂縫的高精度檢測識(shí)別。

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，道路系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)管理逐漸成為發(fā)展趨勢。道路養(yǎng)護(hù)智能化、信息化的提升也是研究的熱點(diǎn)，采用無人機(jī)對道路進(jìn)行日常巡查，可提高檢查效率和準(zhǔn)確率，同時(shí)節(jié)省時(shí)間和成本，而且可以保證危險(xiǎn)路段的檢修人員生命安全。建立基于無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的路面病害監(jiān)測系統(tǒng)，將病害特征進(jìn)行信息化管理，可以形成長久運(yùn)行的道路養(yǎng)護(hù)機(jī)制，為道路養(yǎng)護(hù)提供更加科學(xué)和準(zhǔn)確的決策安排，對提高道路使用性能，延長其使用壽命具有重大意義。

3 結(jié)語

無人機(jī)攝影測量技術(shù)基于其機(jī)動(dòng)靈活性及低成本的特點(diǎn)，在道路工程上能以更直觀、可視化及自動(dòng)化的方式來優(yōu)化道路工程的勘測、設(shè)計(jì)、施工以及養(yǎng)護(hù)過程，在提高工程建設(shè)效率、節(jié)省勞動(dòng)力、提升工程質(zhì)量以及確保施工安全等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。目前影響無人機(jī)工程應(yīng)用工作質(zhì)量的主要因素是無人機(jī)的負(fù)載能力與飛行時(shí)長。在市場中，部分消費(fèi)級無人機(jī)價(jià)格適宜且便攜性很高，但同時(shí)存在負(fù)載承擔(dān)能力較小、飛行作業(yè)時(shí)間較短的缺點(diǎn)，所以在使用過程中不能最大限度地發(fā)揮應(yīng)有的工作性能。因此，在接下來的道路工程中可嘗試引用大型工業(yè)化專業(yè)無人機(jī)，以提高無人機(jī)的作業(yè)時(shí)長和負(fù)載性能，充分展現(xiàn)數(shù)字化及智能化的工作特點(diǎn)，從而全方面指導(dǎo)道路工程設(shè)計(jì)、施工及管理。