無人機航測技術(shù)在公路帶狀地形圖測繪中的運用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.041

摘" 要：為實現(xiàn)公路帶狀地形圖的高精確度測繪，并研究無人機航測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。采用控制測量、無人機航空攝影、像片控制點布設(shè)及測量、空三加密計算、內(nèi)業(yè)測圖、外業(yè)調(diào)繪及精度檢查等環(huán)節(jié)對無人機航測技術(shù)的精確度進行評價。結(jié)果表明，無人機航測技術(shù)在等高線插值高程誤差、地物點的點位中誤差等信息均處于高精度的范圍內(nèi)。說明使用無人機航測技術(shù)能夠獲得高精確度的公路帶狀地形圖的測繪結(jié)果，建議在未來的使用過程中對多元化測繪、全自動測繪、成本降低和多遠數(shù)據(jù)協(xié)同利用等方面進行進一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：無人機；航測技術(shù)；公路帶狀地形圖；高清測繪；精確度

中圖分類號：U412.2" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0165-04

Abstract： In order to realize the high-precision surveying and mapping of highway strip topographic map， and study the application advantages of UAV aerial survey technology. The accuracy of UAV aerial survey technology is evaluated by means of control survey， UAV aerial photography， photo control point layout and survey， space three encryption calculation， indoor mapping， field mapping and precision check. The results show that the UAV aerial survey technology is in the range of high precision in the information such as the elevation error of contour interpolation and the mid-point error of ground points， and that the surveying and mapping results of highway strip topographic map with high accuracy can be obtained by using UAV aerial survey technology. It is suggested to further optimize the diversified surveying and mapping， automatic surveying and mapping， cost reduction， cooperative utilization of remote data and so on.

Keywords： UAV; aerial survey technology; highway strip topographic map; high definition surveying and mapping; accuracy

常用的公路帶狀地形圖像測量手段，有常規(guī)航空測量方法、GNSS RTK計量法、全站儀測量法等，但其中的GNSS RTK計量法和全站儀測量法都要耗費巨大的人工、資金，而且還無法對地勢復(fù)雜、建筑物密集的地段實現(xiàn)精確測定。相比較而言，雖然傳統(tǒng)航空指標(biāo)法已經(jīng)比較成熟，且使用也比較普遍，但其很易受天氣情況的干擾，且攝影時效較差，成本相對較高，因此，在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了無人機航測技術(shù)，即使對于復(fù)雜危險的區(qū)域也可進行快速監(jiān)測和地形圖繪制，保證準(zhǔn)確度，并降低攝影成本，發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。

1" 工程概況

某一公路帶狀地形圖測繪工程位于云南東南部地區(qū)，其公路擬建路線全長為22.53 km，根據(jù)相關(guān)設(shè)計院提供的方案圖顯示，其作業(yè)范圍在中線兩邊各200 m區(qū)域。該線路的地理位置起點和終點分別在105°40'36″E，23°36'23″N和105°44'20″E，23°25'43″N。該公路的整條線路均處于山地區(qū)域，海拔最高約1 255 m，海拔最低約664 m，在公路的起點位置。該公路路段地形較為復(fù)雜，且分布較為廣泛，包括一般地形和隱蔽地形，地面存放物較多，有灌木、樹林、旱地和果園等各類植被，部分路段還存有密集的樹林，地面雜物過多，導(dǎo)致其沿線的交通并不便利，測繪工作存在難度。

2" 無人機航測技術(shù)在公路帶狀地圖測繪中的運用

無人機航測技術(shù)是在傳統(tǒng)航測技術(shù)基礎(chǔ)上的升級，可克服傳統(tǒng)航測的缺陷，在復(fù)雜區(qū)域或狹小區(qū)域內(nèi)也可快速獲取高分辨率的影像信息。無人機航測技術(shù)結(jié)合無人機技術(shù)和數(shù)碼相機技術(shù)，使其在公路帶狀地圖測繪中發(fā)揮巨大優(yōu)勢。無人機航測技術(shù)，一般用于低空飛行，申請空域程序便捷，速度更快，往往在工作過程中不會受到氣候的影響，對起降場地的要求也較低，可以有效監(jiān)測到人工不能到達的區(qū)域，進行更全面的數(shù)據(jù)獲取。并且，無人機航測可提高數(shù)據(jù)獲取時效性，隨時進行拍攝工作并在短時間內(nèi)完成。在監(jiān)測過程中，基本不會受到過多限制，應(yīng)對該項目中的復(fù)雜地形，也可進行高精確度的數(shù)據(jù)采集，保證成圖的質(zhì)量，并可根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息生成三維模型，更好地應(yīng)用到公路帶狀地形圖測繪工作中[1]。其在該項目中的具體操作流程如圖1所示。

2.1" 控制測量

該公路線路的控制測量，主要使用全站儀和GPS設(shè)備，沿著線路5 km以下位置，在公路的上下兩邊分別布設(shè)了一個四等GPS控制點，并在控制點中間加設(shè)了距離為500 m以內(nèi)的一條導(dǎo)線點。此外，在高程上布設(shè)四等電磁波測距高程導(dǎo)線。

2.2" 無人機航空攝影

無人機的航空攝影環(huán)節(jié)，主要用于選擇航路和控制飛機航飛。按照公路的實際情況，制定了合理的路線設(shè)計，共設(shè)置了4個架的行駛方式，并根據(jù)所要測量的具體路面長度，將每個架設(shè)為4條路線。在航飛控制系統(tǒng)方面，使用ZC-II作為民用無人機的飛行系統(tǒng)，采用YS九作為飛行控系統(tǒng)，并采用了Canon的EOS 5D Mark Ⅱ型單反相機，將其焦距調(diào)節(jié)為35.5 mm。根據(jù)氣候環(huán)境，確定最佳的航攝時間，控制航攝范圍，從橫向方面，保證無人機覆蓋成圖區(qū)域至少20%寬度的航帶，縱向方面則向外延伸出2條攝影基線，調(diào)節(jié)無人機航空拍攝的分辨率為0.12 m。

在無人機航空攝影結(jié)束后，對航攝影像和相關(guān)數(shù)據(jù)進行全面檢查，判斷其數(shù)據(jù)完整性和成像的質(zhì)量。針對系統(tǒng)軟件的功能，可將全部獲得的航測影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到photoscan系統(tǒng)當(dāng)中，排列影像的航點位置，保證其按照順序有序排列。航點排列方式一般為不間斷，通過檢查其連續(xù)性，可判斷分析是否存在漏片問題，若是出現(xiàn)此類問題，要及時對測量區(qū)域計算并分析其重疊度，若是計算結(jié)果不符合該區(qū)域的最低重疊度要求，則需對該區(qū)域補飛補測[2]。結(jié)合航空攝影記錄信息，將所得到的影像中，清晰度較低或準(zhǔn)確度較低的影像篩選出來，如成像光線不足的或被云層遮蔽的，對其進行適當(dāng)處理，保證全部區(qū)域的成像質(zhì)量。

2.3" 像片控制點布設(shè)及測量

針對該項目線路特點，使用1.5 m的方形噴繪紙作為主要的控制點標(biāo)志工具，將其按照黑白相間三角形圖案進行排列設(shè)計。由于公路處于較為復(fù)雜的地形，其中部分測量區(qū)域有密集的樹林，所以為提高檢測圖的準(zhǔn)確性，在高速公路中點的臨近地段，提前對檢測控制位置進行了人工布標(biāo)。

人工布標(biāo)采用傳統(tǒng)的噴畫布，其上噴有2個黑白三角形，整體形成了4個黑白穿插的小三角形，整體規(guī)格為1.5 m×1.5 m正方形，以此保證后續(xù)的航拍精準(zhǔn)度，保證照片清晰呈現(xiàn)。分別為線路的起點、架次交叉點和末端補刺的圖像控制點，共5個，并在此基礎(chǔ)上，完成了圖像控制點的測量工作。測試圖像控制器時，主要使用全站儀導(dǎo)線測試、GNSS靜態(tài)測試、GNSS RTK方法，以保證測試的效率，同時確保對圖像控制器測試的精準(zhǔn)度。

2.4" 空三加密計算

無人機航測技術(shù)中，空三加密算法是數(shù)字化成位圖技術(shù)作業(yè)的核心，其關(guān)鍵就是根據(jù)像片內(nèi)的像位位置信息和地面定向控制方法信息，利用照相檢測技術(shù)，對所測得區(qū)域的全部圖像中的外方位元素進行科學(xué)計算與解析，并在此過程中，經(jīng)過對照相環(huán)節(jié)的簡單顛倒，重新形成測量所得到的立體幾何學(xué)模式，算出了地面物體在空中的外坐標(biāo)位置。

圖像通過修改后，可以生成數(shù)字圖像，使框標(biāo)位置殘差絕對值為0。通過邊框自動計算方法完成了內(nèi)定向測量任務(wù)，在選定了像點的量測位置之后，著重考慮了大氣折光、主中心位置、大地彎曲和航攝儀五經(jīng)畸變等因素可能會造成的系統(tǒng)誤差，進而判斷測量過程可能產(chǎn)生的誤差情況，并通過自檢校平差方法，將像點測量中的系統(tǒng)誤差消除。相對定向的過程中，確保各像點之間的連接效果，保證連接點在其中均勻分布，并確保各標(biāo)準(zhǔn)點位區(qū)都含有連接點。自動相對定位的過程中，確保各個像對連接點的數(shù)量超過30個。計算絕對定向和區(qū)域網(wǎng)平差時，將整體分為3個不同的區(qū)域進行，并對各區(qū)域進行接邊處理，以此完成空三加密計算。

2.5" 內(nèi)業(yè)測圖

本工程主要是利用JX4-G數(shù)碼照相技術(shù)，開展的內(nèi)業(yè)測圖項目。將利用全數(shù)碼照相的技術(shù)，完成立體數(shù)據(jù)資料的收集制作，并把所獲取的空三加密數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到立體像對當(dāng)中。通過對全野外調(diào)繪地測圖的方式完成了內(nèi)業(yè)測圖法，并對影響測圖工作，與實際現(xiàn)狀不合的地形雜物擱置，等得到測繪圖后，才能開展對田野的補測圖作業(yè)。同時利用側(cè)標(biāo)切準(zhǔn)圖，計算和測繪了公路等高線。測量傾斜路段的過程中，若是2個相鄰曲線間的距離較小，在測繪圖上呈現(xiàn)為小于5 mm的狀態(tài)，可只測繪其中的計曲線，插繪首曲線。在公路路段中，被植被遮蓋嚴重的地段，在進行測繪過程中，沿植被表面測繪區(qū)域應(yīng)適當(dāng)改變其高度。在隱蔽的路段區(qū)域或樹林密集地帶，應(yīng)在測繪過程中參考野外高程點及立體模型，2次讀取高程標(biāo)記點，其中較差的一次為0.4 m，取2次讀數(shù)的中數(shù)位0.1 m，做好標(biāo)記。在標(biāo)記過程中，注意將高程標(biāo)記點標(biāo)記在具有特點的地物或地形上，控制其圖上的密度約為每13個占100 cm2，在變化較大的區(qū)域點，適當(dāng)增加標(biāo)記點的個數(shù)，以作突出標(biāo)記。將測繪范圍內(nèi)本身清晰獨立的地物，準(zhǔn)確在測繪圖上標(biāo)記出來，如通信線、電力線、光纜、電纜和地面架空管線等[3]。在測繪圖上，將房屋建筑相關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)量、層數(shù)等明確標(biāo)記，將植被劃分成用材林和經(jīng)濟林2部分進行單獨標(biāo)記，并分別標(biāo)記出果園、荒地、旱地等土地部分。在公路帶狀地圖測繪中，還需明確標(biāo)記出其中的山谷、河流、村鎮(zhèn)、水系、文物保護區(qū)、管線和水庫等重點區(qū)域。最終，將矢量地形圖在南方CASS軟件的作用下轉(zhuǎn)換為測繪圖所需的格式地形圖。

2.6" 外業(yè)調(diào)繪及精度檢查

在以上所打印出的地形圖紙質(zhì)圖上進行外業(yè)調(diào)繪工作，嚴格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行，全方位進行航攝成圖的實地全野外屬性調(diào)繪，并根據(jù)實際調(diào)繪情況，進行對應(yīng)的補測和修測工作。本項目的調(diào)繪工作利用數(shù)字化技術(shù)進行，其具有測量精度高、測量效率高等優(yōu)勢。在數(shù)字化調(diào)繪下，保證基本無誤差的打點效果，保持較小的正射影像接邊差，并提高影像的清晰度；迅速完成影響匹配工作和相對定向作業(yè)；在系統(tǒng)內(nèi)，將自動化和交互處理2項工作分開設(shè)置，提高測量的便捷度，保證測量工作的連續(xù)性，避免出現(xiàn)無法處理的問題；并且，在數(shù)字化調(diào)繪的較大應(yīng)用范圍和適用性下，保證對影像信息的準(zhǔn)確分類，提高輸出質(zhì)量。在補測與修測工作全部完成后，根據(jù)實際修改相關(guān)數(shù)據(jù)，保證測繪成圖的精確度。

3" 未來展望

3.1" 多元化測繪

在公路帶狀地形圖測繪領(lǐng)域，多元化測繪可以為交通設(shè)計、公路施工和維護等方面提供更加全面、可靠的數(shù)據(jù)支持。目前，隨著無人機航測技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，多元化測繪已經(jīng)成為公路帶狀地形圖測繪的重要趨勢。無人機可以搭載多種傳感器，實現(xiàn)多角度、多波段、多源數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，可以獲得全面、豐富、準(zhǔn)確的公路帶狀地形圖數(shù)據(jù)。未來，隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，多元化測繪在公路帶狀地形圖測繪中的應(yīng)用將不斷拓展和深化。例如，可以利用云計算和人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理、二次加工和數(shù)據(jù)挖掘，提升地圖測繪的效率、精度和全面性。同時，也可以更加注重數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和共通性，促進數(shù)據(jù)的共享和共用，實現(xiàn)資源的最大化利用，推動公路帶狀地形圖測繪技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

3.2" 全自動測繪

全自動測繪可以為交通設(shè)計、公路施工和維護等方面提供更加準(zhǔn)確、高效和可靠的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，自動化測繪已經(jīng)成為公路帶狀地形圖測繪的重要趨勢。無人機全自動測繪所應(yīng)用的主要技術(shù)如圖２所示，例如，通過人工智能等技術(shù)，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動識別、自動處理、自動上傳，從而大幅提高效率和準(zhǔn)確度。

未來，隨著自主導(dǎo)航、傳感器、人工智能等技術(shù)的不斷普及和發(fā)展，全自動測繪將成為公路帶狀地形圖測繪的重要發(fā)展方向。不僅如此，還可以結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和保護，增強數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。同時，全自動測繪還將提高地圖測繪行業(yè)的智能化水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時、動態(tài)、立體化管理，促進地圖測繪信息服務(wù)的升級和創(chuàng)新發(fā)展，為交通建設(shè)和管理等方面提供更加科學(xué)、精準(zhǔn)、可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.3" 成本的降低與效率的提升

隨著無人機航測技術(shù)的不斷普及和進步，一方面，從長遠的角度來看，無人機已經(jīng)能夠開展成本相對低廉的測繪工作，而傳統(tǒng)的人工測繪變得逐漸弱化。特別是在數(shù)據(jù)處理和分析方面，利用云計算和分布式計算等技術(shù)，可以大幅提高數(shù)據(jù)處理的效率和精度，降低數(shù)據(jù)處理的成本和時間。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和成熟，無人機的使用將會進一步降低使用成本。在這一過程中，無人機航測技術(shù)將會更好地融合其他新技術(shù)，如人工智能、大數(shù)據(jù)等，以實現(xiàn)全方位高精度的數(shù)據(jù)采集和分析，大幅降低測繪成本，從而能夠更好地服務(wù)于公路建設(shè)和交通管理。此外，積極使用新技術(shù)還可以促進設(shè)備的智能化更新和升級，降低故障率，延長使用壽命，從而降低維修和更換設(shè)備的成本，提高設(shè)備的社會效益和經(jīng)濟效益。同時，基于其他新技術(shù)輔助得出的數(shù)據(jù)，可以更加科學(xué)地評估公路的運營狀況和安全性，為公路設(shè)計和管理的降本增效提供重要依據(jù)。

另一方面，新技術(shù)的使用不但能夠有效降低成本，還可以縮短測量時間，提高測量效率。以某1.1萬m2的測繪工程為例，精細化管理前后測繪成本與時間的降低情況見表1。

與其他技術(shù)進行結(jié)合，將現(xiàn)有的公路使用狀況數(shù)據(jù)與地形測繪數(shù)據(jù)結(jié)合起來，建立智能化的預(yù)測模型，實現(xiàn)公路建設(shè)和管理的精準(zhǔn)化和智能化。同時，無人機航測技術(shù)還可以與虛擬現(xiàn)實和大數(shù)據(jù)分析等進行結(jié)合，實現(xiàn)對公路建設(shè)和管理全程的跟蹤和監(jiān)測，使相關(guān)工作的效率得到有效提升?？傊?，基于無人機航測技術(shù)的公路帶狀地形圖測繪是實現(xiàn)公路管理和規(guī)劃精細化智能化的重要手段。利用這些數(shù)據(jù)，可以更加全面、準(zhǔn)確地分析公路存在的問題，優(yōu)化公路設(shè)計和管理標(biāo)準(zhǔn)，提高公路的使用效益和經(jīng)濟性。

3.4" 多源數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)利用

衛(wèi)星影像、GPS數(shù)據(jù)、車載傳感器等多源數(shù)據(jù)可以為采集到的遙感數(shù)據(jù)提供更加豐富的空間、時間、環(huán)境等背景信息。結(jié)合這些數(shù)據(jù)，可以深入分析公路使用情況、交通狀況、地形地貌變化等情況。例如，可以對公路的運營狀況進行綜合評估，及時發(fā)現(xiàn)道路問題并進行處理；還可以通過精準(zhǔn)的地形地貌分析，設(shè)計出更加科學(xué)合理的公路線路，提高公路建設(shè)和使用效益。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，多源數(shù)據(jù)的融合分析將更加充分、細致。未來，可以利用更加先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和智能化分析模型，實現(xiàn)公路建設(shè)和管理的精準(zhǔn)化和智能化。就此而言，無人機航測技術(shù)與多源數(shù)據(jù)融合分析將會是公路建設(shè)和管理領(lǐng)域不可或缺的一部分。

4" 結(jié)束語

綜上所述，在公路帶狀地形圖測繪當(dāng)中，無人機航測技術(shù)能夠發(fā)揮其功能優(yōu)勢，很大程度上提高測繪的質(zhì)量和效率，為地形圖的繪制提供更為準(zhǔn)確、豐富、客觀的數(shù)據(jù)信息，提高地形圖的精細度，又可降低該工作過程中的成本消耗。通過實踐證明，無人機航測技術(shù)在地形復(fù)雜、環(huán)境相對惡劣的公路帶狀地形測繪中，也能夠基本滿足要求，適應(yīng)性和可行性較強，可加強對該技術(shù)的優(yōu)化和進一步推廣應(yīng)用。

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作者簡介：邵維貴（1988-），男，工程師，注冊測繪師。研究方向為控制測量、工程測量、測繪航空攝影及無人機航測。