吳聚偉

（廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，廣東 惠州 516081）

1 引言

無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)是以飛行的無人機(jī)作為空中搭載平臺(tái)，在特定的觀察測(cè)繪路線下從不同的角度對(duì)公路工程的帶狀地形進(jìn)行測(cè)繪建模的一種實(shí)用信息化測(cè)繪技術(shù)。同時(shí)，相比于以往傳統(tǒng)技術(shù)模式下的測(cè)繪成果，無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)的大比例地形勘測(cè)可以更加直觀地描述工程用地及周邊地區(qū)的地貌特點(diǎn)，這對(duì)于公路地質(zhì)災(zāi)害分析以及公路養(yǎng)護(hù)測(cè)繪等方面來說，均有著極為重要的應(yīng)用意義。

2 無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)的主要原理

無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)，主要是指在公路工程的地表三維測(cè)繪建模中，利用搭載著CCD高分辨率測(cè)繪航拍相機(jī)以及激光掃描儀、測(cè)距儀等信息化測(cè)繪設(shè)備的無人機(jī)，在空中合適的測(cè)繪拍攝角度，以無人機(jī)遙感控制的方式收集公路工程的地貌、地物與地貌信息。而后等到無人機(jī)回收后，再利用計(jì)算機(jī)上的測(cè)繪軟件來將無人機(jī)拍攝收集的測(cè)繪圖像信息進(jìn)行綜合處理，按照公路工程需要的精度條件來生成測(cè)繪成果圖。它在拍攝測(cè)繪成圖的方式上與傳統(tǒng)航空測(cè)繪技術(shù)有些類似，但二者的具體成圖原理稍有差別。傳統(tǒng)航空測(cè)量只能執(zhí)行固定的測(cè)量路線，且往往只能以垂直拍攝的角度來拍攝地物信息，因此對(duì)于公路工程這種地物信息較為復(fù)雜的測(cè)繪對(duì)象來說，往往很難滿足具體的測(cè)繪精度要求[1]。而無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)是依靠多個(gè)傳感器以垂直、側(cè)視等不同的拍攝角度收集地物信息的，因此，理論上它比傳統(tǒng)航空測(cè)繪技術(shù)的精度要高許多。

3 無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

結(jié)合以往的測(cè)繪項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行分析，在公路工程中應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

3.1 測(cè)繪手段靈活

傳統(tǒng)的公路測(cè)繪技術(shù)需要面臨這樣的問題，無論是公路工程的縱橫斷面測(cè)繪還是地形水準(zhǔn)測(cè)繪，在布設(shè)測(cè)站控制點(diǎn)時(shí)，都會(huì)遇到障礙物遮擋觀測(cè)視野，或理想測(cè)點(diǎn)位置無法到達(dá)的問題，因此，需要不斷地調(diào)整設(shè)計(jì)外業(yè)測(cè)量方案，直至所有控制點(diǎn)與觀測(cè)站均滿足觀測(cè)基本要求為止。這樣的測(cè)繪手段不僅絲毫不具備效率優(yōu)勢(shì)，且極容易因測(cè)站、控制點(diǎn)位的調(diào)整產(chǎn)生精度偏差，影響最終的測(cè)繪成圖質(zhì)量[2]。而以空中搭載遙感設(shè)備的方式進(jìn)行工程地物的測(cè)繪，無論是測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)還是飛行高度都可以人為控制，這主要得益于無人機(jī)低能耗與體積小巧的特點(diǎn)。當(dāng)前階段被投入測(cè)繪用途的無人機(jī)產(chǎn)品，其飛行高度與飛行路線是可以通過自動(dòng)巡航或人工操作來控制的，既可以在較高的空域飛行，也可以進(jìn)行低空飛行，這樣就可以很好地解決測(cè)繪項(xiàng)目場(chǎng)地外業(yè)測(cè)區(qū)條件不理想的問題。

3.2 測(cè)繪精度高

無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)的最終成圖效果與搭載遙感設(shè)備自身的精度水平有著很大關(guān)聯(lián)，只有使用高分辨率的遙感拍攝設(shè)備，才能確保無人機(jī)公路測(cè)繪的成圖精度。而如今業(yè)內(nèi)經(jīng)常使用的主流測(cè)繪設(shè)備，可以輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化三維建模功能，通過直接測(cè)量得到附帶空間地理信息的可量測(cè)圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，還支持DSM、TDOM、DLG與DOM等高精度數(shù)字工程模型數(shù)據(jù)的輸出，具有極高的測(cè)繪成圖質(zhì)量。

4 無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用問題

無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)是測(cè)繪行業(yè)朝向信息化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵標(biāo)志，盡管具有多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)與成本優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)還并未在我國(guó)公路工程測(cè)繪中形成一定的普及應(yīng)用規(guī)模。當(dāng)前公路工程測(cè)繪使用的無人機(jī)以小型尺寸機(jī)型居多，在進(jìn)行拍攝與數(shù)據(jù)獲取的過程中，主要任務(wù)是收集拍攝圖像的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及飛行數(shù)據(jù)。而在拍攝圖像信息與數(shù)據(jù)的擬合過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因地面起伏導(dǎo)致疊合率不高的問題。出于荷載、功耗、體積、質(zhì)量等因素的考慮，當(dāng)前使用的無人機(jī)飛行器設(shè)計(jì)中缺乏可靠的空中測(cè)距設(shè)備與技術(shù)支持。為滿足飛行靈活性的需求，小型無人機(jī)含搭載設(shè)備僅有2.7～5.5 kg重，因此，它無法像傳統(tǒng)航空遙感測(cè)繪技術(shù)那樣機(jī)載無線電測(cè)距設(shè)備，這是無人機(jī)GPS數(shù)據(jù)生成的誤差主要來源。

5 無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)的改進(jìn)途徑——以廣東省某高速公路帶狀地形測(cè)繪為例

5.1 測(cè)繪項(xiàng)目簡(jiǎn)介

廣東省某地存在一高速公路工程，全長(zhǎng)約52.4 km，寬度約為23 m，其中道路長(zhǎng)度為24 km線長(zhǎng)部分為平原路段，28.4 km線長(zhǎng)為山區(qū)路段，地勢(shì)起伏錯(cuò)落，山區(qū)路段與平原路段的最大高差為550 m。該地規(guī)劃于2019年6月對(duì)原有公路進(jìn)行改擴(kuò)建施工，而在公路線形設(shè)計(jì)，需要結(jié)合公路工程的地物信息情況以及周邊地貌信息來綜合制定。通過前期的外業(yè)勘查發(fā)現(xiàn)，工程所處位置實(shí)測(cè)條件不理想，存在多處自然樹林、圍巖結(jié)構(gòu)等遮擋障礙。因此，根據(jù)公路改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)意圖，計(jì)劃采用CORS系統(tǒng)來完成空間位置坐標(biāo)參數(shù)的轉(zhuǎn)換，在公路工程利于無人機(jī)拍攝測(cè)繪的地點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)處理，采用“傾斜拍攝成圖+激光三角測(cè)距”的方法來形成高精度測(cè)繪模型圖。

5.2 確定無人機(jī)測(cè)繪飛行線路

該公路測(cè)繪項(xiàng)目中，無人機(jī)的測(cè)繪飛行路線主要是根據(jù)CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（項(xiàng)目當(dāng)時(shí)施行規(guī)范）要求，使飛行器的拍攝傾角與水平成15°以上的夾角。為了確保無人機(jī)拍攝拼接的圖像模型滿足工程設(shè)計(jì)需求，使用的機(jī)載拍攝設(shè)備成像像素水平均在3 500萬以上，同時(shí)還需要從相機(jī)的影像能力、作業(yè)時(shí)間、曝光性能以及POS記錄等功能因素來選擇合適的設(shè)備型號(hào)。在此基礎(chǔ)上，首先需要對(duì)無人機(jī)測(cè)繪的飛行線路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在高度選擇上按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，H為無人機(jī)的航拍高度，m；f為航攝設(shè)備的鏡頭焦距，m；GSD為地面分辨率，是無人機(jī)測(cè)繪項(xiàng)目中可以區(qū)分兩個(gè)臨近測(cè)繪地物的最小距離，m；α為像元尺寸，是構(gòu)成無人機(jī)測(cè)繪掃描數(shù)字化圖像的最小采樣點(diǎn)，m。

經(jīng)過相關(guān)的外業(yè)勘查信息輸入，計(jì)算得到該測(cè)繪項(xiàng)目的拍攝高度為680 m[3]。確定了拍攝高度后，只需要確保測(cè)繪路線具備設(shè)備90 min全天候作業(yè)條件，并確保地物對(duì)象的航拍圖像滿足重疊度要求即可。根據(jù)規(guī)范要求，無人機(jī)低空測(cè)繪成像的航向重疊度應(yīng)當(dāng)為60%～80%，旁向重疊度不應(yīng)低于15%，傾斜攝影時(shí)傳感器旁向重疊度不應(yīng)低于53%。航向重疊度越高，則相同區(qū)域的公共像素?cái)?shù)據(jù)量信息也就越大，測(cè)繪模型的生成就讀才會(huì)越高。

5.3 空中三角測(cè)量法降低拍攝測(cè)繪誤差

為了進(jìn)一步降低航攝誤差，該測(cè)繪項(xiàng)目采用了空中三角測(cè)量法。首先如圖1所示，在四周無遮擋的場(chǎng)地上做出像片刺點(diǎn)，刺點(diǎn)是空中三角測(cè)量法所選取的測(cè)距基準(zhǔn)參考像素點(diǎn)，盡可能選擇黑白相間的醒目地表圖案來作為無人機(jī)航攝傳感器的識(shí)別影像。在刺點(diǎn)的尺寸選擇上，需要以測(cè)繪成像的實(shí)際分辨率為準(zhǔn)，根據(jù)該測(cè)繪項(xiàng)目選用的航攝設(shè)備地面分辨率，地面刺點(diǎn)標(biāo)志的尺寸大小應(yīng)當(dāng)為600 cm×600 cm或以上。

圖1 無人機(jī)公路測(cè)繪的刺點(diǎn)標(biāo)志例圖

而后采用激光三角測(cè)距儀與立體測(cè)圖儀來將一條航線上所拍攝的所有像片按照其各自的生成順序進(jìn)行排序與定向，并在每?jī)山M相鄰影像中找到公共的刺點(diǎn)標(biāo)志，將模型依次首尾相連，構(gòu)成如圖2所示的航攝控制網(wǎng)格。航攝控制網(wǎng)格形成要求外業(yè)測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)至少具備6個(gè)以上由刺點(diǎn)標(biāo)志構(gòu)成的作業(yè)控制點(diǎn)，其中控制點(diǎn)位的數(shù)量越多，空中三角測(cè)量體系的精度就越高，但相應(yīng)地作業(yè)成本與作業(yè)任務(wù)量也就會(huì)越多。在排列空中三角測(cè)量航攝像片時(shí)，需要注意在同一個(gè)控制網(wǎng)格內(nèi)，像片必須要經(jīng)過等比縮小，而后通過基線內(nèi)線與向外安置，對(duì)加密點(diǎn)進(jìn)行左右視圖的轉(zhuǎn)換，以此來消除圖像畸變給網(wǎng)格帶來的誤差影響。

圖2 航攝控制網(wǎng)格示意圖

在該控制網(wǎng)格體系內(nèi)，任意一點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)都是相對(duì)于航攝鏡頭的中心點(diǎn)P散出的結(jié)構(gòu)光測(cè)距方法得出的，即使該點(diǎn)不在控制網(wǎng)格的基準(zhǔn)平面以內(nèi)，也可以由三角測(cè)距的方法來求出。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無人機(jī)公路測(cè)繪技術(shù)是無人機(jī)航攝技術(shù)的延伸，它既不用像傳統(tǒng)工程測(cè)繪技術(shù)那樣受到測(cè)繪的自然地貌條件限制，也無須航空測(cè)量那樣花費(fèi)較高的經(jīng)濟(jì)成本，具有機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)成本低廉、生產(chǎn)周期極短等特點(diǎn)。在公路設(shè)計(jì)中應(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，可以最大限度地消除障礙地貌對(duì)觀測(cè)地物的干擾影響，同時(shí)還能顯著提高施測(cè)效率。而提高無人機(jī)測(cè)繪模型成圖的精度，需要在合理規(guī)劃航攝路線的前提下，綜合空中三角測(cè)量法，進(jìn)一步建立起空中測(cè)繪作業(yè)的控制網(wǎng)格，以此保證數(shù)字化航攝測(cè)繪像片接合生成的模型數(shù)據(jù)精確、校正良好。