黃麗霞

（廣西壯族自治區(qū)地理信息測(cè)繪院，廣西 柳州 545006）

1.引言

過去我們使用傳統(tǒng)的航空測(cè)量技術(shù)進(jìn)行公路帶狀地形測(cè)量作業(yè)，不僅受到天氣條件和機(jī)場(chǎng)條件的影響，而且測(cè)量成本大、航拍周期長(zhǎng)、等高線存在誤差?，F(xiàn)階段，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路地形測(cè)量測(cè)繪中的應(yīng)用不斷增大，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、精準(zhǔn)高效等特點(diǎn)，能夠?qū)σ恍┪ｋU(xiǎn)區(qū)域或工作人員無法到達(dá)的地域進(jìn)行測(cè)繪。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路帶狀地形測(cè)量工作中可以快速低成本地拍攝出分辨率與清晰度高的地形影像，為公路設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

2.無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)是繼大飛機(jī)航測(cè)與衛(wèi)星技術(shù)之后的又一重大技術(shù)，它基于無人機(jī)飛行平臺(tái)，采用分辨率高、清晰度高的數(shù)碼相機(jī)采集地形測(cè)量數(shù)據(jù)并生成影像。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)也稱自動(dòng)化測(cè)繪系統(tǒng)，具有成圖快、成本低、誤差小等測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，在環(huán)境、土地、資源等信息采集工作中得到廣泛應(yīng)用。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是飛行平臺(tái)、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面保障設(shè)備、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備等，飛行平臺(tái)是由無線遙控操作的無人駕駛飛行器，無人機(jī)航測(cè)工作常用的飛行器為固定翼無人機(jī)，其次是旋翼無人機(jī)與無人飛艇兩種（固定翼無人機(jī)的飛控要求比旋翼無人機(jī)低，操作簡(jiǎn)單，作業(yè)效率高；無人飛艇的懸停時(shí)間長(zhǎng)，適用于監(jiān)視作業(yè)。）飛控系統(tǒng)飛控計(jì)算機(jī)、GPS、氣壓高度表、飛行控制器等元件組成，主要控制飛行器的飛行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，完成無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航、自主飛行工作。地面保障和地面監(jiān)控系統(tǒng)分別為無人機(jī)支持系統(tǒng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)、地面電源、電臺(tái)天線等系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以對(duì)飛行器拍攝回來的影像進(jìn)行處理，校正畸變影像、獲取數(shù)字地面模型（DTM）、數(shù)字劃線圖（DLG）、數(shù)字正射影像圖（DOM）等測(cè)量成果。任務(wù)設(shè)備是飛行器用來航拍公路帶狀地形圖的數(shù)碼相機(jī)，無人機(jī)航拍系統(tǒng)使用的數(shù)碼相機(jī)影像高清，地面分辨率高[1]。

3.無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的地形測(cè)量步驟

現(xiàn)階段，測(cè)繪領(lǐng)域?qū)o人機(jī)的航測(cè)精度提出更高的要求，研究人員通過選材進(jìn)一步提升無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性與拍攝像素等方面，獲取精準(zhǔn)度高的測(cè)量數(shù)據(jù)，方面測(cè)繪人員分析公路區(qū)域的帶狀地形[2]。借助無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)測(cè)繪公路帶狀地形圖的基本步驟如下：

首先，根據(jù)測(cè)繪方案確定測(cè)量任務(wù)、航測(cè)范圍、飛行路線以及設(shè)定無人機(jī)的航攝參數(shù)。飛行路線需要覆蓋公路區(qū)域的帶狀地形，為提高航測(cè)系統(tǒng)的作業(yè)效率，可以將測(cè)量區(qū)域劃分為幾段，段再分帶。航向覆蓋重疊度要求在60%～80%之間，可有效避免航測(cè)漏點(diǎn)，旁向要求覆蓋率在15%～60%左右。飛行方向可選擇南北向或東西向，也可沿河流、海岸方向飛行。其次，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)的分辨率、測(cè)繪作業(yè)精度要求、測(cè)圖比例確定公路帶狀地形測(cè)量作業(yè)高度。確定航高時(shí)可以根據(jù)公式：

H 即航高，f 為攝像鏡頭焦距，GSD 為影像分辨率，a 像元尺大小。最后是像空點(diǎn)的選擇，像空點(diǎn)最好是特征清晰或垂直方向沒有重疊區(qū)域的地物。常用像空點(diǎn)如斑馬線、行車線、平房屋角等。如無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的航拍范圍沒沒有可用地物，可以布設(shè)高程控制點(diǎn)與平面控制點(diǎn)。像空點(diǎn)密度要求符合《地形圖航拍攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（1∶500、1∶1000、1∶2000），精度要求符合（GB/T 7930-2008）。航測(cè)時(shí)選擇晴朗天氣，時(shí)間定在9∶00～16∶00 左右，這個(gè)時(shí)間段地面陰影面積小，地表清晰度高，拍攝畫面清晰、準(zhǔn)確[3]。最后，內(nèi)、外業(yè)測(cè)繪和驗(yàn)收結(jié)果，對(duì)公路區(qū)域的植被、建筑物、線路、水系進(jìn)行調(diào)繪，完成高程標(biāo)記測(cè)量與外業(yè)補(bǔ)測(cè)，實(shí)地勘測(cè)地形情況，補(bǔ)漏修改測(cè)繪內(nèi)容，借助全站儀和GNSS 靜態(tài)提升圖像精度，突出航測(cè)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化處理。

4.工程實(shí)例

4.1 工況

以使用無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)采集的黃山市205 國(guó)道公路的帶狀地形測(cè)量數(shù)據(jù)為例，該205 國(guó)道公路的設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)，該路總長(zhǎng)28.88 km 左右，以1∶50000 線路中線為基礎(chǔ)，向兩側(cè)拓展250 m,形成長(zhǎng)28.8、寬500 m 的帶狀區(qū)域。按照要求需測(cè)繪1∶2000 的公路帶狀地形圖，在航測(cè)開始前選擇起點(diǎn)與終點(diǎn)，起點(diǎn)為線路北端萬安加油站，終點(diǎn)定為線路南端臨溪鎮(zhèn)的潤(rùn)一山莊。205 國(guó)道公路區(qū)域?qū)儆谏介g盆地地貌，帶狀地形區(qū)域有低丘緩坡，野外測(cè)繪難度較大，交通不便捷[4]。

4.2 航空攝影

選擇全站儀與GNSS 靜態(tài)導(dǎo)線結(jié)合法，沿公路5 km 處布置GPS 控制點(diǎn)，加設(shè)間距500 m 一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)、四等高程導(dǎo)線。航線方面結(jié)合帶狀地形寬度設(shè)計(jì)4 個(gè)飛行架次，航飛平臺(tái)選擇zc-2YS09 系統(tǒng)，相機(jī)焦距設(shè)定35.51 mm，航拍氣候條件選擇晴朗、無霧霾天氣，航拍時(shí)間9∶00-16∶00，總共拍攝相片221 張[5]。橫向覆蓋增設(shè)20%寬度，分辨率0.12 m。測(cè)繪控制點(diǎn)的選擇可以根據(jù)全站儀與GNSS 靜態(tài)的測(cè)量確定，相片控制點(diǎn)選擇方形噴繪，制作控制點(diǎn)標(biāo)志，在不同復(fù)雜地形環(huán)境中沿線路中線周邊測(cè)控，布設(shè)相片控制點(diǎn)，設(shè)置黑白色三角符號(hào)。最后借助全站儀和GNSS 靜態(tài)測(cè)量相片控制點(diǎn)，提升帶狀地形測(cè)量精度，增強(qiáng)控制點(diǎn)精度。

4.3 內(nèi)業(yè)測(cè)圖

空三角加密計(jì)算時(shí)，數(shù)碼相機(jī)坐標(biāo)殘差值應(yīng)符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，重視相點(diǎn)內(nèi)側(cè)坐標(biāo)，定向分析計(jì)算相機(jī)坐標(biāo)殘差值，避免忽略掉系統(tǒng)偏差以及主電位置偏差，經(jīng)自檢校平差消除掉折光。均勻處理連接好各連接點(diǎn)，完成相對(duì)定向校平工作。自動(dòng)點(diǎn)的數(shù)量不超過30 個(gè)。計(jì)算絕對(duì)定向時(shí)可以分成三個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪計(jì)算，處理好接邊工作。內(nèi)業(yè)測(cè)圖工作使用全野外刺點(diǎn)側(cè)圖點(diǎn)，借助內(nèi)測(cè)數(shù)據(jù)建立模型，當(dāng)相鄰曲線間距在5mm 范圍內(nèi)時(shí)，可使用首曲線插繪方式。在高程變動(dòng)較大位置，特設(shè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，在樹木隱蔽位置讀兩次以上高程點(diǎn)，讀數(shù)誤差小于0.4m，數(shù)的標(biāo)記為0.1m，當(dāng)植被被覆蓋時(shí)，根據(jù)植被高度進(jìn)行處理。測(cè)繪范圍內(nèi)需要對(duì)各級(jí)道路、地物、管線、河流、村鎮(zhèn)等進(jìn)行高精準(zhǔn)地測(cè)繪，按照13/cm2進(jìn)行標(biāo)記[6]。明確劃分標(biāo)記測(cè)繪范圍內(nèi)的建筑物周邊土地和植被，區(qū)分處理用材林和經(jīng)濟(jì)林，標(biāo)注好水田、旱田以及蔬菜果園。最后借助CASS 系統(tǒng)軟件將矢量地形圖片轉(zhuǎn)化為格式地形圖。

4.4 外業(yè)調(diào)繪

傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)繪工作的難度系數(shù)大，受到環(huán)境、天氣與交通等諸多因素的影響，外業(yè)調(diào)繪是在內(nèi)業(yè)測(cè)圖完成之后，按照國(guó)家測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)使用地形圖紙打印等方式進(jìn)行補(bǔ)漏改錯(cuò)的作業(yè)手段。使用無人機(jī)航拍系統(tǒng)對(duì)公路區(qū)域的帶狀地形與地物進(jìn)行野外調(diào)查繪圖，可以降低野外實(shí)測(cè)的難度，提高外業(yè)測(cè)繪工作的效率，縮短外業(yè)調(diào)繪周期。由于帶狀地形較為復(fù)雜，完成全要素調(diào)繪的工作量較大，我們可以高精度的DEM 和DOM 系統(tǒng)完成內(nèi)業(yè)測(cè)圖工作，然后內(nèi)業(yè)配合完成外業(yè)調(diào)繪工作，減少外業(yè)調(diào)繪的工作量。工作人員使用航攝像片進(jìn)行調(diào)繪時(shí)需要完成調(diào)繪前準(zhǔn)備工作、像片判讀、地物元素綜合取舍、調(diào)查的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后補(bǔ)測(cè)新地物、清繪，完成接邊和驗(yàn)收工作[7]。最后，按照每幅圖10～15 個(gè)像控點(diǎn)的比例使用全站儀檢測(cè)成圖精度與空三加密成果。

4.5 成果精度檢查

成果精度檢查與驗(yàn)收是測(cè)繪作業(yè)的最后步驟，測(cè)繪作業(yè)是一項(xiàng)非常復(fù)雜、細(xì)致、技術(shù)性強(qiáng)的工作，測(cè)繪人員需要隨時(shí)檢核、復(fù)查測(cè)繪作業(yè)，檢測(cè)地形圖要素質(zhì)量。首先，逐桿調(diào)繪電桿、鐵塔、電纜等，明確區(qū)分高壓線路與低壓線路，標(biāo)記出線路電壓值、光纜、通信線路等，明確線路走向；其次，實(shí)地調(diào)繪測(cè)區(qū)的路面情況、寬度、長(zhǎng)度、公路等級(jí)、周圍環(huán)境等；完成植被的調(diào)繪工作，標(biāo)記好植被符號(hào)，對(duì)耕地和菜地進(jìn)行調(diào)繪，調(diào)繪草地、荒草地、高草地和半荒植物底，調(diào)繪灌木林與竹林，調(diào)繪森林、疏林、苗圃。最后，統(tǒng)計(jì)分析所有的地形點(diǎn)與地物點(diǎn)，有效處理地物點(diǎn)的點(diǎn)位偏差，保證地形測(cè)圖精度滿足公路勘測(cè)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，提高測(cè)量結(jié)果的可信度[8]。

5.結(jié)語

通過對(duì)無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路帶狀地形測(cè)量測(cè)繪中的應(yīng)用分析，可以了解到無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航空測(cè)量技術(shù)，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單，航拍畫質(zhì)高清，等高線差值小，測(cè)繪出來的地形圖誤差少。在實(shí)際公路區(qū)域的帶狀地形測(cè)量工作中，通過對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)、內(nèi)業(yè)測(cè)圖、外業(yè)補(bǔ)測(cè)等提升測(cè)圖精度，降低地形圖誤差，減少人力成本投入。隨著無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的不斷完善與更新，可以為公路帶狀地形測(cè)量領(lǐng)域提供更大的便利，即使在惡劣天氣也能夠獲取符合標(biāo)準(zhǔn)的彩色影像，促進(jìn)我國(guó)測(cè)量技術(shù)的提升。