熊 強王俊偉

(綿陽市川交公路規(guī)劃勘察設計有限公司 四川 綿陽 621000)

無人機在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測量中的應用

熊 強1王俊偉2

(綿陽市川交公路規(guī)劃勘察設計有限公司 四川 綿陽 621000)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進，對西部公路建設、管理和維護工作提出了更高的要求。由于西部地區(qū)主要位于高原、高海拔、高寒地區(qū)，特殊的地理環(huán)境無形中增加了公路測量的難度，因此，采用無人機進行公路測量就顯得尤為重要。本文從高原、高海拔、高寒地區(qū)對無人機測量影響入手，探討無人機在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測量中的應用，以供參考。

無人機；高原地區(qū)；高海拔地區(qū)；高寒地區(qū)；公路測量

隨著我國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，西部交通路網(wǎng)建設也取得了長足的進步。但是，西部高原、高海拔、高寒地區(qū)由于地理環(huán)境特殊、氣候條件惡劣，使公路測量面臨極大的困難。隨著無人機技術和數(shù)字測量技術的不斷發(fā)展，使無人機航測具有全天候、低成本、高精度等技術優(yōu)勢，目前被廣泛應用于地質勘探、地形測繪、地質災害監(jiān)測、航空攝影和軍事測繪等領域。在公路測量中，無人機主要利用自身攜帶的高分辨率相機對公路沿線區(qū)域進行影像自動拍攝和獲取，并具有信息數(shù)據(jù)壓縮和傳輸、影像預處理、航速規(guī)劃與監(jiān)控等功能。實踐證明，無人機在公路測量中，具有較高的智能化程度、低空作業(yè)能力、高分辨率數(shù)據(jù)采集能力和飛行可靠性，能夠有效提高高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測量工作的質量和效率。

1 高原、高海拔、高寒地區(qū)對無人機測量的影響

1.1 地理環(huán)境的影響

我國高原、高海拔、高寒地區(qū)主要集中在西部地區(qū)。該地區(qū)地廣人稀、交通不便，使無人機測量作業(yè)受到嚴重影響，主要表現(xiàn)在：一是該地區(qū)空氣較為稀薄、氣壓較低，對無人機性能提出了較高的要求；二是深入崇山峻嶺之中，對無人機作業(yè)和保障提出了嚴峻的挑戰(zhàn)；三是由于大山遮蔽，使無人機通信距離受到嚴重制約，無形中增加了測量難度。

1.2 氣象條件的影響

高原、高海拔、高寒地區(qū)氣象條件較為惡劣，氣候變化差異性大，公路沿線時常跨越多霧區(qū)、峽谷風道區(qū)、地形抬升區(qū)、永久凍土區(qū)等多種特殊地段，“微氣象”變化較大。濃霧、低溫、大風、雨雪等氣象條件都會對無人機飛行和測量造成較大的影響，甚至可能造成墜機等嚴重事故。

1.3 低溫的影響

高原、高海拔、高寒地區(qū)氣溫通常較平原地帶、低海拔地域要低，特別是高寒地區(qū)年均氣溫通常在零度以下，不僅對作業(yè)人員影響較大，還對無人機性能要求較高。實踐表明，當氣溫低于 40C時，無人機的鋰電池電解液會變稠或凝結，使電池充、放電效率和電池電量降低，嚴重制約了無人機的工作時長。[1]

2 高原、高海拔、高寒地區(qū)無人機在公路測量中的應用

2.1 無人機測量系統(tǒng)組成

無人機測量系統(tǒng)主要包括無人機飛行器系統(tǒng)、有效任務載荷和地面保障系統(tǒng)組成。其中，無人機飛行器系統(tǒng)又包括：飛行器平臺、推進系統(tǒng)、飛行控制與導航系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)機載部分、起降系統(tǒng)機載部分等；有效任務載荷包括：高分辨率航空相機、小型合成孔徑雷達、高光譜成像系統(tǒng)、氣象傳感器包、新型紅外相機等；地面保障系統(tǒng)包括：起降系統(tǒng)地面部分、數(shù)傳系統(tǒng)地面部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面后勤人員、其它輔助設備等。

2.2 無人機測量系統(tǒng)作業(yè)流程

無人機測量系統(tǒng)作業(yè)流程通常包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩部分。其中外業(yè)主要工作流程為：高原、高海拔、高寒地區(qū)公路沿線現(xiàn)場踏勘、無人機航線設計、航拍影像數(shù)據(jù)并進行檢查、像控布防方案設計及外業(yè)像控點量測等；內(nèi)業(yè)主要工作流程為：無人機航拍影像數(shù)據(jù)預處理、空中三角測量、數(shù)字線劃圖DLG采集、外業(yè)調繪及成果檢查、內(nèi)業(yè)高程數(shù)據(jù)修正獲得滿足精度要求的DLG成果、成果資料整理與歸檔等。[2]

2.3 應用實例

4D產(chǎn)品生產(chǎn)

我單位16年5月籌備組建無人機數(shù)字化攝影測量系統(tǒng)，極短時間完成相關技術學習，人員培訓，自己組裝雙發(fā)固定翼無人機，完成相機標定，組建10人航測內(nèi)外業(yè)隊伍，有完成外業(yè)航飛、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的能力，生產(chǎn)4D、三維模型等產(chǎn)品，短短半年完成別人幾年籌備計劃，完成綿陽三臺一環(huán)路、景觀大道、綿陽108國道、涼山會理米易路新線、西藏山南扎郞縣80公里改線、西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新線等項目的三維模型、4D產(chǎn)品。完成320公里各種等級、困難地區(qū)的道路航測勘察任務。本文著重以西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新線為例介紹、探討無人機航測與公路設計。

（1）線路概況。項目西藏那曲，線路主線上高原和高原峽谷各占一半、東西走向、100公里，支線70公里。此線路具有其他線路相同的特點，如線路曲折多變、需范圍很窄（僅需老路左右200米）等。又有自身的特點，如海拔高（平均海拔4800、4100～5200米），高差大（高差1100米左右）。作業(yè)時間 12月-1月，室外氣溫-26～2℃。溫度低會影響無人機的動力鋰電池工作，縮短工作時間。部分地段是峽谷地形、峽谷底部僅50米不到。業(yè)主對坐標系沒有特殊說明。為了項目后期便于作業(yè)，橢球采用WGS84，平面坐標系用高斯投影、三度分帶，線路全部位于31經(jīng)區(qū)，中央子午線93°。高程坐標系假定，采用海拔高。

（2）作業(yè)過程

1）基礎控制測量。根據(jù)項目需求，控制測量等級按常規(guī)GPS四等，四等GPS控制網(wǎng)的觀測和平差解算是高程網(wǎng)和平面控制網(wǎng)同時進行，儀器、人力有限和工作效率考慮，采用6臺華測I80GPS觀測，CGO平差解算，觀測和解算完全按照四等GPS規(guī)范要求進行。無人機航空攝影

① 制定航飛計劃，根據(jù)項目需求（優(yōu)于1/500），測區(qū)情況，線路走向，需改線區(qū)域，地形高差，無人機續(xù)航時間，起降場地等規(guī)劃起降場地和航線。由其自身特點，所需寬度很窄，抗風性弱，基高比，內(nèi)外業(yè)工作效率，后期數(shù)據(jù)處理，質量和精度等綜合考慮，建議重疊度為航向75%、最小不低于55%，旁向75%、最小不低于50%。地形高差，設為一個航高，同一架次可以分為多個航高。對線路走向變化不大部分，可以采用平行航向，線路曲折，可以采用斜飛航向，保證有效重疊和線路覆蓋。無人機航線采用折線擬合的方法。本線路航跡如下所示。

② 外業(yè)航攝、差分POS解算、航飛資料質量檢查。溫度基本都在零下，注意電池的保暖（電池貼暖寶寶效果還可以）。溫差大導致氣流變化大，無人機抗風能力弱，航攝盡量安排在9.0-1.0點?？紤]到控制網(wǎng)已經(jīng)完成，所以差分POS采用是PPK模式，用waypoint解算的。由于工期緊張，航飛資料的不可能等后期處理發(fā)現(xiàn)問題，采用Pix4D進行初步處理和檢查，主要是以下幾個方面：重疊度是否達標，抽查影像是否清楚和損壞，POS和影像數(shù)是否一致，范圍有沒有全覆蓋，相機設置是否正確等。

③ 像控點測量。主要有布設地標，測量已有地物兩種，布設地標需要在航攝前完成，航攝工期緊張、工序繁雜、地物較多（橋涵直角處、獨立石頭、道路交叉處、房角、季節(jié)性水坑銳角處、小而矮灌木叢、溝渠頭），采用先飛后測量明顯地物的布設方法，像控點測量采用單基站RTK方法進行，由于GPS控制點一般遠離線路，所以在路線附近設站，工程參數(shù)按照上述輸入，做基站平移，復核2-3個已知點。由于路線特殊性、海拔高、缺氧、人體力考慮，沒有按照常規(guī)的幾條基線或者航帶布設，而是按距離布設。峽谷地段，沿線路走向每 200米布設一對，盡量距老路 100米左右，保證線路可能經(jīng)過地方最近三個點構成正三角形。高原地段，由于地勢平緩，沿線路走向每 300米布設一對，盡量距老路 150米左右，保證線路可能經(jīng)過地方最近三個點構成正三角形。像控點必須在航飛范圍里面，改線的區(qū)域一定被控制點包括在內(nèi)。同時測量部分地物點坐標用以檢核航測成果的準確性。

④ 數(shù)據(jù)處理，

相機拍攝像片有畸變，相機參數(shù)通過軟件把影像去畸變，解壓成TIF格式，POS和影像名字對應，做好數(shù)據(jù)預處理?？杖用埽椿謴蜔o人機航攝瞬間影像的空間位置XYZ和姿態(tài)OPK。主要采用天寶的數(shù)字攝影測量系統(tǒng)Inpho，空三加密完全按照1/500航攝規(guī)范進行加密，立體恢復及精度檢查，主要是檢查控制點滿足1/500精度，上下視差、模型接邊差滿足要求，才能進行后續(xù)工作。

通過空三成果匹配出DEM、DSM，立體下編輯，輸出DEM和DSM（Las格式點云、DXF格式的特征線、約束線），正射單片糾正，勻色，鑲嵌，編輯，分幅輸出DOM。

同時空三成果導出外方位元素ORI（PATB格式）利用航天遠景的數(shù)字攝影測量系統(tǒng)Mapmatrix立體采集,外業(yè)調繪，在CASS編輯，輸出線畫圖DLG

通過smart3D或者photoscan全自動處理，少量的人工處理，無需人工干預輸出三維模型、三維景觀。

綜上所述，經(jīng)過航線規(guī)劃，無人機航攝，外業(yè)像控，內(nèi)業(yè)處理一系列流程，生產(chǎn)出4D產(chǎn)品及真實、精度達到厘米級的三維模型，為設計提供整套完整的初始資料。

3 高原、高海拔、高寒地區(qū)無人機在公路測量應把握的主要問題

3.1 加強無人機業(yè)務培訓

由于無人機型號不一，技術標準不一，必須在進行公路測量前對有關人員進行業(yè)務培訓。培訓時，要請無人機廠家派人實施，重點突出無人機的性能、組成、功能、操作、維護等內(nèi)容，特別是高原、高海拔、高寒地區(qū)的使用特點和注意事項，使無人機操作人員和地面操作、保障人員能夠熟練掌握無人機的操作、使用和保養(yǎng)、維護技能。

3.2 加強無人機運行管理

一是要優(yōu)選型號。保證無人機能在高原、高海拔、高寒地區(qū)正常工作。二是要持證上崗。無人機操作認證工作，必須由廠家和使用單位共同實施，從高原、高海拔、高寒地區(qū)特點，到無人機飛行軌跡、安全控制、缺陷成像質量等方面進行認證，確?，F(xiàn)場工作人員持證上崗。三是要嚴格制度。要建立和健全無人機運行管理規(guī)章制度，將無人機管理、運行、維護等各個環(huán)節(jié)納入到制度體系之中，實現(xiàn)運行管理制度化、規(guī)范化、科學化，確保無人機性能良好、飛行安全。

3.3 編制無人機測量方案

一是要搞好實地勘察。高原、高海拔、高寒地區(qū)地形復雜、氣候多變，進行現(xiàn)場勘察至關重要，以確定是否存在禁飛區(qū)、電磁環(huán)境對飛行的影響、通道環(huán)境對無人機的影響等。二是擬制測量方案。具體明確組織結構、飛行線路、時間安排、人員分工、飛行保障、有關要求等，還要對意外事故處理等設置預案，并上報審批，確保無人機公路測量工作能夠順利展開。

結束語：

綜上所述，無人機在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測量中還處于探索階段，還需要不斷的實踐以獲取更多的經(jīng)驗和成果。隨著無人機技術和航空測量技術的不斷進步，無人機在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測量中的優(yōu)勢將更加明顯，將在我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略和公路交通發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮更大的作用。

[1]高坤,李昶君,楊金波等.無人機在高原山區(qū)線路巡檢中的應用[J].電氣技術,2015,(4):130-131,133.DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2015.04.034.

[2]吳磊,金偉娜,燕樟林等.無人機攝影測量在公路選線上的應用研究[J].大壩與安全,2012,(2):35-38,42.DOI:10.3969/j.issn.1671-1092.2012.02.009.

[3]楊雪.無人機公路測繪應用現(xiàn)狀分析[J].低碳世界,2014,(10):251-252,253.

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1007-6344（2017）02-0131-02