樂志豪，何 強，任 彪，姜加喜

（1.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041）

道路勘測設(shè)計項目的攝影測量手段逐漸從高空到低空,有人到無人,正射到傾斜。小型無人機航測系統(tǒng)在公路勘察設(shè)計中得到越來越廣泛的應(yīng)用,隨著其成本的下降,較低的投入成本即可自主展開工作,不用再委托專業(yè)航測單位,時效性強、自主可控[1]。李德仁[2]等通過描述無人機遙感系統(tǒng)在大量相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與實踐,展望了其應(yīng)用的廣闊前景。勘察設(shè)計單位已逐漸從單純依靠外業(yè)人工單點勘測作業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槔脽o人機傾斜攝影測量技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集。相詩堯[3]等對無人機航測技術(shù)在公路各設(shè)計階段中的應(yīng)用進行了分析。尹恒[4]等介紹了無人機航測技術(shù)在帶狀地形測繪、地災(zāi)調(diào)查、土方量算和征地糾紛等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。史華林[5]、張浩[6]、魏方震[7]、劉藝[8]等在新建道路勘測中對無人機進行了很好的應(yīng)用。羅博仁[9]、潘成軍[10]等分別在公路改擴建勘測和城市道路現(xiàn)狀地形圖測繪中進行了實踐。周冰[11]等將無人機系統(tǒng)應(yīng)用于電廠地形圖測量中,并進行了精度分析。然而,利用無人機對電廠進站道路進行測繪的應(yīng)用卻為數(shù)不多。

目前,電廠進站道路的常規(guī)測繪方法難以滿足精細化設(shè)計要求,傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)在公路項目測繪中的應(yīng)用周期較長、成本較高。電廠進站道路改擴建項目一般規(guī)模較小,而小型無人機使用成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效率較高,非常適合該類項目。電廠進站道路的改擴建設(shè)計涉及橋梁、涵洞加固,道路拓寬,線路、房屋遷改等工作,通過實景三維建模對現(xiàn)場的高邊坡、高填挖方路段,重要交叉跨越設(shè)計路段,拆遷房屋路段等重點區(qū)域進行直觀形象的展示,能保證設(shè)計方案的合理性和有效性。本文在公司總承包的貞豐電廠進站道路改擴建測繪中,利用小型無人機傾斜攝影測量技術(shù)對進站道路的改擴建進行了實驗,驗證了無人機的靈活性和實效性。該方法有利于提高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)了精準設(shè)計的目的。

1 項目實施

1.1 工程概況

項目全長2 km,帶狀寬度約為300 m,測區(qū)概況如圖1所示。根據(jù)設(shè)計要求,需要提供項目測區(qū)內(nèi)1∶500帶狀地形圖（沿黃色中線兩側(cè)各150 m范圍）。

圖1 測區(qū)概況圖

1.2 項目關(guān)鍵技術(shù)流程

項目采用大疆精靈4 Phantom4 Advanced旋翼無人機完成航攝影像數(shù)據(jù)的獲取。項目作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 項目作業(yè)流程圖

1）航測設(shè)計。根據(jù)收資和測區(qū)現(xiàn)場踏勘掌握的實地情況、成圖要求以及測區(qū)地形起伏狀況,避開在建電廠煙囪、電塔以及其他重要影響飛行安全的地物,結(jié)合所用旋翼無人機的特點,項目設(shè)計了5個正射航攝架次和6個傾斜航攝架次。平均每架次的拍攝區(qū)域約為500 m×300 m,每架次航拍按道路走向約重疊100 m,航高設(shè)置約為80 m。若測區(qū)地形復(fù)雜、起伏不均勻,可適當(dāng)增加傾斜攝影的架次。

2）像控點布設(shè)。根據(jù)條帶狀測區(qū)特點,為了更好地獲得測區(qū)高精度的影像數(shù)據(jù),項目沿著已有公路兩側(cè)分架次均勻布設(shè)像控點,點之間平均間距約為100 m,每架次保證5～6個像控點,每架次航拍重疊區(qū)域保證有兩個共同像控點。像控點的坐標系統(tǒng)采用電廠的統(tǒng)一坐標系,利用GPS-RTK 測量,測量精度要求為2 cm。航測設(shè)計和像控點布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 航測設(shè)計和像控點布設(shè)示意圖

3）航線規(guī)劃與數(shù)據(jù)采集。導(dǎo)入測區(qū)KML文件,利用飛行控制軟件規(guī)劃航線,航向重疊度為80%,旁向重疊度為65%,飛控軟件按預(yù)設(shè)的航線和拍攝參數(shù)控制相機進行拍攝。對于坡度大、地形復(fù)雜的區(qū)域,為提高相片的重疊率可手動控制飛行遙控器適當(dāng)加拍相片。項目共獲取正射影像727張、傾斜影像1 147張。

4）航測內(nèi)業(yè)處理。航測內(nèi)業(yè)處理主要包括刺點、空三加密、圖像匹配、平差和三維產(chǎn)品制作。項目同時導(dǎo)入正射和傾斜攝影多個架次獲得的照片,合并后進行處理。首先通過圖像匹配對連接點進行平差,修正攝像點的相對位置；再進行刺點工作,以確定照片物理要素的精確坐標；最后輸出正射影像圖、數(shù)字表面模型和點云數(shù)據(jù)等三維產(chǎn)品。項目主要采用相關(guān)三維建模和立體測圖軟件實現(xiàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 實景三維模型和正射影像

在電廠道路改擴建測繪中,為滿足大件運輸要求,需對沿線交叉跨越路段進行更加精細的設(shè)計。實景三維模型具有紋理清晰、直觀形象、精度較高、可量測的優(yōu)勢,可查看與設(shè)計方案密切相關(guān)的周邊環(huán)境情況,實現(xiàn)更好的匹配和融合。如圖5所示,在電廠主水管道施工區(qū)域,水管穿越已有公路?，F(xiàn)有道路與重要房屋的位置關(guān)系如圖6所示。若采用傳統(tǒng)線劃地形圖,幾乎很難直觀展示房屋材質(zhì)、樓層、大小等內(nèi)容；而采用無人機航測技術(shù)制作的三維模型能對重要交叉跨越路段、房屋主要區(qū)域等重點地段重點關(guān)注,有利于最終實現(xiàn)精準設(shè)計。

圖5 實景三維模型截圖（跨越主水管道）

圖6 實景三維模型截圖（道路與房屋關(guān)系）

2 精度檢查與分析

2.1 檢查點位選擇

對于未被遮擋區(qū)域,地物的平面精度評定應(yīng)選取明顯的易判讀實測的點位,地形點的高程精度評定應(yīng)盡量選擇已有公路上分布均勻的點位,項目選取了易辨別且分布較均勻的47個地物點和66個地形點；對于被植物和樹木遮擋區(qū)域,項目選取已有公路兩側(cè)均勻分布的118個點位。全部檢查點分布情況如圖7中白色點所示。項目利用GNSS方法進行地形圖的外業(yè)精度檢查,并利用徠卡GS16儀器進行RTK測定檢核。

圖7 實驗檢查點位選取情況

2.2 檢查點的精度計算

在檢測地物平面和地形點的高程精度時,地形點的高程精度評定利用未被遮擋的檢查點共同計算。檢測中誤差的計算公式為:

結(jié)果如表1所示,可以看出,利用未被遮擋檢查點進行檢測的地物點的點位中誤差為0.12 mm,高程檢測點的點位中誤差為0.07 m,均小于GB 50167-2014《工程攝影測量規(guī)范》[12]和DL/T 5138-2014《電力工程數(shù)字攝影測量規(guī)程》[13]中對一般地區(qū)規(guī)定的平面0.6 mm、高程0.33hd為0.33 m（hd為地形圖基本等高距）的要求；而被遮擋的檢查點的高程中誤差達到了5 m,不符合規(guī)范精度要求。

表1 地形圖精度統(tǒng)計

2.3 檢查點的精度分析

進一步對遮擋檢查點平面和高程誤差進行統(tǒng)計分析,結(jié)果如圖8所示,可以看出,檢查點的平面誤差較小,說明RTK實地校測檢查點坐標平面精度較好,能很好地反映實地高程與模型高程的較差；區(qū)域內(nèi)有樹木遮擋、地表覆蓋有較密集植被的地方,除了零星未被遮擋嚴實漏出地表的模型點外,大部分點位高程誤差精度難以滿足1∶500測圖精度要求。

圖8 遮擋檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計圖

3 結(jié) 語

通過項目實踐,本文得到以下結(jié)論:

1）在電廠道路改擴建設(shè)計中應(yīng)用小型無人機傾斜攝影測量技術(shù)測圖,可大幅減少外業(yè)工作人員數(shù)量,提高工作效率和設(shè)計時效,有利于實現(xiàn)精準設(shè)計。

2）利用旋翼無人機進行帶狀傾斜攝影時,應(yīng)注意航測時的架次設(shè)計與像控點的布設(shè),保證相鄰飛行區(qū)域有共同像控點、合理的影像重疊度（航向/旁向重疊率不低于80%/65%）、少量飛行架次和較低的航高（80 m以下）,在無遮擋區(qū)域能得到很好的成圖精度。

3）在植被覆蓋較密集區(qū)域以及重要交叉跨越線路區(qū)域,則需結(jié)合傳統(tǒng)測量手段進行少量補測和補繪作業(yè)。

本文通過在電廠進站道路勘測中進行無人機應(yīng)用實驗,為類似道路改擴建項目測圖工作提供了新的解決方案。