王仕林

（山東省地質(zhì)測繪院，濟(jì)南 250002）

在道路工程測量工作中，如果使用傳統(tǒng)的人工測繪方式，不僅不能保證最終成果形式的豐富性，還難以滿足道路工程測量的數(shù)字化發(fā)展需求。與傳統(tǒng)的人工測繪方式相比，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，則是一種基于數(shù)字化技術(shù)的測量技術(shù)。將其應(yīng)用到道路選、定線及帶狀圖測繪和道路橫縱斷面測量中，具有十分重要的作用，但是，如何對這一測量技術(shù)進(jìn)行合理的應(yīng)用，提高道路工程測量的質(zhì)量與效率，還需要進(jìn)行更為深入的研究。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的相關(guān)概述

1.1 無人機(jī)

在實(shí)際測量工作中，測量人員可以將無人機(jī)視為一種攝影平臺，在無人機(jī)的底部安裝不同角度的高分辨率攝像頭，并對無人機(jī)的多項(xiàng)飛行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就可以讓攝像頭在一定高度范圍內(nèi)，利用某一角度完成測量任務(wù)。大多數(shù)情況下，無人機(jī)的多角度攝像頭拍攝影像的重疊度集中在60%～65%。這樣的重疊度限制了無人機(jī)影像的拍攝范圍，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)量占據(jù)空間，所以更加適合應(yīng)用于帶狀道路工程中的測量工作。

1.2 傾斜攝影

傾斜攝影是一種對地物點(diǎn)具體位置進(jìn)行確定的攝影技術(shù)。先利用多個(gè)不同角度對同一點(diǎn)進(jìn)行拍攝，形成三點(diǎn)定位效果。然后再結(jié)合拍攝當(dāng)時(shí)無人機(jī)的相關(guān)參數(shù)，例如飛行高度、飛行姿態(tài)等，對這一點(diǎn)進(jìn)行立體成像，生成三維立體圖。另外，傾斜攝影還可以形成DEM數(shù)據(jù)，對地面高程變化進(jìn)行判定。與傳統(tǒng)的二維轉(zhuǎn)化三維技術(shù)相比，傾斜攝影技術(shù)的精度更高、視覺效果更高，在反映地物真實(shí)性等方面更具優(yōu)勢，可以為測繪技術(shù)人員開展測量工作提供極大的便利。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)與傾斜攝影測量之間存在著極為緊密的聯(lián)系，將無人機(jī)測量平臺與傾斜攝影技術(shù)結(jié)合在一起，就是無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。圖1 為這一技術(shù)的主要組成結(jié)構(gòu)。最初的無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，經(jīng)營用于建筑物外側(cè)面紋理信息的提取。隨著技術(shù)的發(fā)展，才開始應(yīng)用于道路工程測量、礦山測量等領(lǐng)域中。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用與普及，推動了整個(gè)測繪領(lǐng)域的簡便化、精準(zhǔn)化及自動化發(fā)展。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的組成

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用重要性與優(yōu)勢

2.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用重要性

傳統(tǒng)的道路工程測量，以“常規(guī)儀器+人工測量”為主，由于點(diǎn)多線長，測量人員需要金鼎相關(guān)等級與數(shù)量的測量控制點(diǎn)的布設(shè)，測量效率非常低。而無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，則可以獲得“人在空中數(shù)據(jù)盡收”的效果，并使得測量效率得到了最大限度的提高。而且，這一測量技術(shù)還代替了測量人員的地面測量作業(yè)，測量過程不再受到現(xiàn)場不利環(huán)境條件的影響，測量質(zhì)量更有保證。另外，在道路工程測量的外業(yè)作業(yè)當(dāng)中，對無人機(jī)作業(yè)、調(diào)繪輔助測量、GNSS-RTK 輔助空中三角測量導(dǎo)航與定位技術(shù)進(jìn)行了充分的應(yīng)用，不僅減少了地面控制點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，還縮短了外業(yè)作業(yè)時(shí)間。與此同時(shí)，還借助現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢，提高了測量數(shù)據(jù)的可靠性與精確度，實(shí)現(xiàn)了道路工程建設(shè)效益的提高。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.2.1 便捷性

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用原理是衛(wèi)星遙感攝影原理。但是，與遙感攝影技術(shù)相比，這一測量技術(shù)不容易受到大氣傳播過程中能量散射和幾何變形的影響，攝影周期更短，圖像分辨率更高。與GPS-RTK 技術(shù)相比，這一測量技術(shù)在獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面，并不需要進(jìn)行基站的設(shè)定，測量人員也無需逐點(diǎn)測量，測量周期更短[1]。與傳統(tǒng)的導(dǎo)線法、三角法或三邊三角網(wǎng)法相比，這一測量技術(shù)不需要做多級支站，且測量精度更有保證。

2.2.2 數(shù)據(jù)獲取周期短

經(jīng)過長期的發(fā)展與升級，目前已經(jīng)可以將高精度、多角度相機(jī)安裝到無人機(jī)底座下，并在極短的時(shí)間內(nèi)完成測量任務(wù)，獲得測量數(shù)據(jù)，然后再以相同比例尺進(jìn)行較大圖幅內(nèi)容的獲取。如果使用傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感測量技術(shù)，最快也需要7～15 d 的時(shí)間才能夠獲得圖像；如果使用GPS-RTK 技術(shù)，則需要3～5 d 的實(shí)踐才能夠獲得圖像。而無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)只需要將飛行路線和飛行次數(shù)設(shè)定好，就可以在30 min 內(nèi)完成整個(gè)道路施工范圍內(nèi)的圖像資料。

2.2.3 數(shù)據(jù)精確度高

道路工程中，往往需要使用到的地形圖比例為1∶500、1∶1 000 或1∶2 000。無人機(jī)主要是在1 000 m 高度以下的空中飛行，攜帶的高分辨率傳感器精度在厘米級別，可以直接利用彩色影像將地面區(qū)域內(nèi)的細(xì)節(jié)展示出來。再利用后期技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)成果處理成DEM 圖和DOM 圖，形成三維場景，讓施工人員更加直觀、更加全面的體會道路施工現(xiàn)場的實(shí)際情況。圖2 為這一測量技術(shù)的影像采集示意圖。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)影像采集示意圖

2.2.4 數(shù)據(jù)獲取成本低

與其他測量方式相比，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取成本更低。首先，只需要安排3 名測量人員，就可以使用無人機(jī)對整個(gè)道路工程施工區(qū)域進(jìn)行測量，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。而且，這種技術(shù)的應(yīng)用既不需要建設(shè)擠占，也不需要使用多個(gè)全站儀測量設(shè)備，這方面的成本也可以節(jié)省下來。其次，在地勢相對平坦的區(qū)域，遮擋物少，無人機(jī)可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成測量。在地勢起伏較大的區(qū)域，遮擋物多，無人機(jī)也可以利用多個(gè)攝像頭，對地物進(jìn)行多角度的拍攝，進(jìn)而將盲區(qū)控制在最小范圍內(nèi)。這樣一來，無人機(jī)通過重測方式補(bǔ)充獲取數(shù)據(jù)的幾率就更低。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路選、定線和帶狀圖測繪中的應(yīng)用要點(diǎn)

無論是道路新建工程，還是舊路重建工程，都需要進(jìn)行道路選、定線，并利用帶狀圖對現(xiàn)場的水文、地質(zhì)條件進(jìn)行判斷。將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到這一過程中，可以明顯降低道路工程建設(shè)成本，優(yōu)化道路修建方向。

3.1.1 在山嶺區(qū)測繪中的應(yīng)用

如果道路工程的施工建設(shè)需要穿過山嶺區(qū)，則需要對以下要素予以重點(diǎn)考慮：上嶺線和下嶺線，路線填挖量，路線偏離度，放坡，路面陰陽位置和排水管道設(shè)計(jì)等。首先，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以將山嶺區(qū)的地面全貌直觀地展示在設(shè)計(jì)人員面前，使其可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，進(jìn)行多條建設(shè)路線的設(shè)計(jì)。其次，利用路線填挖量、路線偏低度等要素，對這些道路建設(shè)線路設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性進(jìn)行分析，并從中選擇一條可行性最高的線路設(shè)計(jì)方案。再次，在實(shí)際的放坡與填挖土方量的時(shí)候，測量人員需要參照遙感影像，完成道路選、定線。最后，以道路為中心形成帶狀定點(diǎn)路線，形成一級控制點(diǎn)，然后再利用PTK 開展實(shí)地測量，獲取更多的數(shù)據(jù)，為道路工程的施工建設(shè)提供支持。

3.1.2 在平原區(qū)測繪中的應(yīng)用

平原區(qū)沒有山體、植被等大面積遮擋物，所以道路工程建設(shè)的選、定線難度較低。但是，在平原區(qū)進(jìn)行道路工程的施工建設(shè)，需要對以下要素進(jìn)行重點(diǎn)考慮：道路工程的建設(shè)成本，道路的轉(zhuǎn)彎曲線，高壓塔，附近村莊，已有道路和其他地物等[2]。首先，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以在100 m 左右的高空內(nèi)進(jìn)行道路工程施工的觀測，進(jìn)而讓施工單位明確在施工過程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)繞開哪些城鎮(zhèn)和村莊。其次，利用內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以一種動態(tài)化的方式將選、定線展示出來。在后期選、定點(diǎn)的時(shí)候，就可以參考這些影像圖進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，提高實(shí)地測量準(zhǔn)確性，降低道路工程建設(shè)成本。

3.1.3 在丘陵區(qū)測繪中的應(yīng)用

與山嶺區(qū)、平原區(qū)的道路工程選、定線相比，丘陵區(qū)的選定任務(wù)更加繁重。因?yàn)榍鹆陞^(qū)的地勢起伏較大，水文條件不夠明確，且存在著很多轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象。如果使用傳統(tǒng)的測量方法，需要在整個(gè)施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地測量，不僅需要投入大量的人力和物力，效率還比較低。而這一測量技術(shù)的應(yīng)用則表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。首先，這一測量技術(shù)可以沿著丘陵區(qū)道路觀測相應(yīng)的地勢地貌特點(diǎn)，并獲得相對完整、立體的圖像。其次，根據(jù)這些圖像對道路工程施工現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)地分析，可以明顯減少外業(yè)勘探次數(shù)，減輕工作人員工作壓力。最后，對道路建設(shè)進(jìn)行分段，每一段區(qū)域的道路建設(shè)都可以結(jié)合圖像確定出最佳的施工路線，并為后期施工打好基礎(chǔ)。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路橫縱斷面測量中的應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在得到空三處理后就可以生成DEM 圖像和DOM 圖像。在道路橫縱斷面測量過程中，測量人員可以直接借助DEM 圖像的輔助作用，對高程差進(jìn)行判斷，進(jìn)而給出切實(shí)可行的施工方案。

3.2.1 通過帶狀圖上的內(nèi)插進(jìn)行測區(qū)高程差的確定

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以生成SEM 圖像，并對道路施工各部分的高程差進(jìn)行判定，為坡道、曲線及轉(zhuǎn)彎等施工問題的處理與解決提供幫助。首先，對外業(yè)獲取到的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，然后對外業(yè)測量所獲的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上完成影像配準(zhǔn)[3]。其次，對道路工程的施工需求進(jìn)行分析，然后對DEM圖像進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，從而將道路路線的高程變化進(jìn)行具體而全面的反映。最后，利用內(nèi)業(yè)軟件將具有橫斷面特點(diǎn)的部分篩選出來，并對相應(yīng)的傾斜角度進(jìn)行確定，提前準(zhǔn)備基礎(chǔ)材料，為橫斷面的有效處理提供保障。在篩選完測區(qū)橫斷面之后，測量人員只需要在重點(diǎn)區(qū)域布測，對周圍環(huán)境進(jìn)行觀察，就可以從數(shù)據(jù)層面支持橫斷面的施工設(shè)計(jì)工作，并保證橫斷面的效率與精度。

3.2.2 以影像成果為基礎(chǔ)進(jìn)行填挖土方量的計(jì)算

應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取影像，需要提前設(shè)置多項(xiàng)參數(shù)。對這些影像加以利用，可以將圖像比例尺推算出來。在實(shí)際的道路工程測量工作中，測區(qū)內(nèi)的面積和體積就是這樣確定的。如果在山區(qū)內(nèi)進(jìn)行道路工程的施工，可以直接在影像圖上計(jì)算出施工人員需要填挖的土方量。首先，對道路工程施工過程中，需要進(jìn)行土壤填挖施工的位置進(jìn)行確定，然后在對周圍的土壤與巖石走向進(jìn)行觀察，就可以將實(shí)際需要填挖的土方量確定出來。其次，在填充方面，可以將附近的碎石塊、優(yōu)質(zhì)土壤作為主要填充圖。在這一過程中，需要利用影像圖將挖走的土壤和需要填充的土方比例進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在挖掘土方量的時(shí)候，需要提前實(shí)施地質(zhì)勘察工作，對巖體、水體等因素的影響程度予以充分考慮，盡量避免土方量的挖掘?qū)χ車h(huán)境產(chǎn)生較大影響。

3.2.3 利用影像進(jìn)行橫縱斷面處理影響程度的觀察

道路工程施工中橫縱斷面的處理行為，對于周圍地形地勢條件的影響較大。只有利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對周圍巖體、水體及其他地物的沉降情況或變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，才能夠正確做出是否持續(xù)進(jìn)行橫縱斷面處理的決定。尤其在山嶺區(qū)和丘陵區(qū)，一些震動、開挖及填充等施工行為，很容易對山體內(nèi)部的平衡產(chǎn)生破壞。如果沒有做好相應(yīng)的監(jiān)測工作，將會對整個(gè)道路工程的施工安全與施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

4 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用強(qiáng)化策略

4.1 對測量裝置與設(shè)備進(jìn)行科學(xué)選擇

在道路工程測量中，要想對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化應(yīng)用，需要對相應(yīng)的測量裝置與設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的選擇，提前做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。首先，對多種裝置和設(shè)備進(jìn)行對比分析，確保選擇出性能最優(yōu)、功能最符合測量作業(yè)需求的裝置和設(shè)備。其次，近幾年來，測繪市場上涌現(xiàn)出了很多新型測量產(chǎn)品和裝置。雖然促進(jìn)了無人機(jī)傾斜攝影測量工作的多樣化發(fā)展，但是某些產(chǎn)品性能方面的不足，卻也對這些測量技術(shù)的普及推廣產(chǎn)生了影響。測量人員需要結(jié)合具體的測量工作需求，在準(zhǔn)確把握各種裝置與設(shè)備性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇出最適合的無人機(jī)類型和高性能攝影裝置。再次，在正式開始道路工程測量之前，還需要對使用的裝置與設(shè)備進(jìn)行檢查，避免在后期測量工作中出現(xiàn)裝置與設(shè)備運(yùn)行異常問題。最后，在日常工作中，測量人員需要對測量裝置和設(shè)備進(jìn)行定期的檢修與維護(hù)，及時(shí)消除裝置和設(shè)備存在的性能隱患。

4.2 對無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和完善

近幾年來，在無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的持續(xù)改造與升級過程中，相應(yīng)的攝影功能也越來也豐富，越來越實(shí)用，為測量人員的測量工作開展提供了極大的便利。要想將這一測量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，還需要對無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和完善。傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)受到技術(shù)條件的限制，只能對地物進(jìn)行垂直拍攝。而這一測量技術(shù)，則可以利用專業(yè)五鏡頭相機(jī)，從多個(gè)不同的角度進(jìn)行地物影像資料的采集。測繪市場上流通的無人機(jī)類型極為豐富。以動力系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)，可以將無人機(jī)分為2 種：第一種為內(nèi)燃機(jī)動力無人機(jī)，第二種為電池動力無人機(jī)。在選擇無人機(jī)的時(shí)候，需要對無人機(jī)的載重、巡航速度及續(xù)航時(shí)間等進(jìn)行重點(diǎn)考慮，明確各種類型無人機(jī)的優(yōu)勢與劣勢，然后結(jié)合實(shí)際測量需求選擇出最適宜的無人機(jī)。另外，在對無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，需要對相機(jī)的性能予以重點(diǎn)考慮。一般情況下，五鏡頭、三鏡頭或雙鏡頭可以滿足道路工程測量工作的開展需求。

4.3 對測量人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是一項(xiàng)非常專業(yè)的測量技術(shù)，對于測量人員的技術(shù)水平和專業(yè)素養(yǎng)要求比較高。測量人員只有掌握這一測量技術(shù)的操作方法和技術(shù)要點(diǎn)，并嚴(yán)格按照相關(guān)測量規(guī)范進(jìn)行操作，才能夠提高道路工程測量質(zhì)量。首先，在正式開始道路工程測量之前，需要對測量人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)，使其掌握相應(yīng)的測量技術(shù)技能和理論知識。其次，在正式開始道路工程測量之后，還需要做好相應(yīng)的監(jiān)督與檢查，確保測量人員可以嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。

5 結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，是一項(xiàng)非常便捷的測量技術(shù)，不僅數(shù)據(jù)獲取周期短、數(shù)據(jù)精確度高，整個(gè)測量成本還非常低，在道路工程測量領(lǐng)域中有著極為廣泛的應(yīng)用前景。但是，要想將這一技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，提高道路工程測量效率與質(zhì)量，不僅要對測量裝置與設(shè)備進(jìn)行科學(xué)選擇，對無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和完善，還需要對測量人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，確保測量人員可以正確使用這一技術(shù)進(jìn)行針對性的測量。