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        無人機(jī)測(cè)繪成果在公路測(cè)量中的應(yīng)用分析

        2023-12-04 13:46:16董康強(qiáng)詹德勝靳自強(qiáng)陳然
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2023年26期
        關(guān)鍵詞:高程測(cè)繪公路

        董康強(qiáng)、詹德勝、靳自強(qiáng)、陳然

        (1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,北京 100081;2.四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司,四川 成都 610091;3.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000;4.成都市工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校,四川 成都 610306)

        0 引言

        公路測(cè)量是確保公路建設(shè)及管護(hù)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和安全的重要環(huán)節(jié)。公路工程大多存在環(huán)境復(fù)雜、地段偏僻的情況,其測(cè)量工作多受制于地理?xiàng)l件、環(huán)境因素。傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法存在工作周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)易差錯(cuò)等問題,而無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的出現(xiàn)為公路測(cè)量帶來革命性的變化。無人機(jī)測(cè)繪具有高效、靈活、精確和安全的特點(diǎn),在探測(cè)和測(cè)繪領(lǐng)域開發(fā)潛力大,尤其是在地形測(cè)量上具有多樣化的測(cè)量工作優(yōu)勢(shì),能為公路建設(shè)和管理創(chuàng)新及進(jìn)步提供前所未有的數(shù)據(jù)服務(wù)。

        1 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的特點(diǎn)

        第一,無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)相比傳統(tǒng)的地面測(cè)量方式,具有高效的特點(diǎn)。其對(duì)空間環(huán)境要求不高,可以實(shí)現(xiàn)低空飛行,受氣候環(huán)境影響較小,且能快速飛行并自動(dòng)化地獲取大量的影像數(shù)據(jù),在獲取航拍影像時(shí)可不考慮飛行環(huán)境的影響,大大提高測(cè)繪工作效率。同時(shí),無人機(jī)可以覆蓋大范圍的區(qū)域,減少人力資源和時(shí)間成本。第二,無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)具有較高的靈活性。通過調(diào)整無人機(jī)的飛行高度、路徑和姿態(tài)等參數(shù),可以適應(yīng)不同地形條件的測(cè)量需求。無人機(jī)可以進(jìn)入傳統(tǒng)測(cè)量難以到達(dá)的區(qū)域,如復(fù)雜地形、懸崖峭壁等,能切實(shí)解決人工無法勘測(cè)或測(cè)量的環(huán)境問題,實(shí)現(xiàn)全面的測(cè)量覆蓋。第三,無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。搭載在無人機(jī)上的測(cè)量設(shè)備和傳感器具備較高的精度,能夠獲取高分辨率的影像或點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí),通過精確的飛行控制和姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù),可以減小飛行姿態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,提高測(cè)量的精確性。

        2 無人機(jī)測(cè)繪中數(shù)據(jù)處理技術(shù)

        2.1 數(shù)字正射影像圖(DOM)

        數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map,DOM)是無人機(jī)測(cè)繪中常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)之一。它是通過對(duì)航拍獲取的影像進(jìn)行處理,將影像糾正為與地面垂直的正射影像。數(shù)字正射影像圖是一種具有地理坐標(biāo)、比例尺和地面垂直性的影像產(chǎn)品。通過去除航拍影像中的地形變形和相機(jī)姿態(tài)效應(yīng),將影像元投影到地面平面上,使影像中的地物保持其真實(shí)的形狀和比例關(guān)系。相比于傳統(tǒng)的航空影像,DOM 具有更高的幾何精度和圖像一致性[1]。

        生成數(shù)字正射影像圖的處理主要有以下幾個(gè)步驟:一是對(duì)航拍獲取的影像進(jìn)行相對(duì)定向和絕對(duì)定向,獲取影像的外方位元素和內(nèi)方位元素,確定每個(gè)像素點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)。二是根據(jù)航拍獲取的影像和攝影測(cè)量坐標(biāo),利用數(shù)字影像處理軟件進(jìn)行三角剖分和地形點(diǎn)云插值,生成數(shù)字高程模型,記錄地面高程信息。三是通過將數(shù)字高程模型和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,校正影像的幾何形狀,消除地形變形和相機(jī)姿態(tài)效應(yīng),得到地面垂直的正射影像。四是對(duì)正射影像進(jìn)行色彩校正,使其具有真實(shí)的顏色和色調(diào)。如果需要融合多個(gè)航拍影像,可以進(jìn)行影像融合處理,提高影像的一致性和覆蓋范圍。

        2.2 數(shù)字高程模型

        數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,簡(jiǎn)稱DEM)是無人機(jī)測(cè)繪中常用的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。它是通過采集、處理和分析無人機(jī)獲取的地面數(shù)據(jù),生成地形表面的數(shù)值表示。數(shù)字高程模型在數(shù)據(jù)處理中,先由無人機(jī)通過激光雷達(dá)或攝影測(cè)量設(shè)備獲取地面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),包含地面上的建筑物、植被和地形等特征,對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去噪處理,以去除不必要的干擾點(diǎn)和誤差。然后,通過插值算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成均勻的高程格網(wǎng)。插值算法主要是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度和分布情況,推算出缺失區(qū)域的高程數(shù)值,從而構(gòu)建出完整的高程模型。常用的插值算法有反距離加權(quán)法、三角網(wǎng)剖分法和克里金插值法等。生成高程模型后,還需要進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。一種常見的處理方法是地形特征提取,根據(jù)高程模型的數(shù)據(jù)提取出地形的特征信息,如山脊、河流和坡度等。這些信息可以用于地質(zhì)勘查、土地利用規(guī)劃和自然災(zāi)害分析等領(lǐng)域。

        2.3 數(shù)字地面模型

        無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在公路測(cè)量中的應(yīng)用越來越廣泛,其中數(shù)據(jù)處理技術(shù)中的數(shù)字地面模型(Digital Surface Model,簡(jiǎn)稱DSM)在該領(lǐng)域起著重要的作用。數(shù)字地面模型是無人機(jī)測(cè)繪中常用的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù),它是通過采集、處理和分析無人機(jī)獲取的地面數(shù)據(jù),生成地表特征的數(shù)值表示。數(shù)字地面模型不僅包括地面的表面高程信息,還包括地物(如建筑物、樹木等)的高程信息。

        在公路測(cè)量中,數(shù)字地面模型可以提供以下方面的應(yīng)用。首先,它可以提供精確的地形信息,幫助確定公路的縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)。通過對(duì)數(shù)字地面模型進(jìn)行分析和測(cè)量,可以獲取公路沿線的地面高程、坡度、曲率等參數(shù),進(jìn)而優(yōu)化公路設(shè)計(jì),提高公路的安全性和通行效率。其次,數(shù)字地面模型還可以用于公路工程施工前的地形分析和規(guī)劃。通過對(duì)數(shù)字地面模型進(jìn)行可視化分析,可以識(shí)別出公路工程中的地形障礙物、土地利用現(xiàn)狀等信息,有助于確定最佳的公路線路和施工方案。

        3 無人機(jī)測(cè)繪成果在公路測(cè)量中的應(yīng)用

        3.1 量測(cè)與測(cè)量

        無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在公路測(cè)量中的應(yīng)用主要包括量測(cè)和測(cè)量。通過搭載高精度的測(cè)量設(shè)備,無人機(jī)可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行公路相關(guān)的測(cè)量工作。首先,無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以用于公路的長(zhǎng)度測(cè)量。通過全球定位系統(tǒng)(GPS)等定位設(shè)備,無人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲取其位置信息,從而可以測(cè)量公路的長(zhǎng)度。無人機(jī)可以沿著公路路徑飛行,通過獲取坐標(biāo)點(diǎn)并計(jì)算距離,得到公路的長(zhǎng)度數(shù)據(jù),為工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考。其次,無人機(jī)測(cè)繪還可以進(jìn)行公路的寬度測(cè)量。無人機(jī)通過搭載激光測(cè)距儀等測(cè)距設(shè)備,能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量公路的寬度。在飛行過程中能利用激光束測(cè)量公路兩側(cè)的距離,從而確定公路的寬度。再次,無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)還可以用于測(cè)量地面標(biāo)志和交通設(shè)施。通過高分辨率的相機(jī)設(shè)備,無人機(jī)可以準(zhǔn)確捕捉道路標(biāo)線的位置和長(zhǎng)度,這有助于檢查道路標(biāo)線的合規(guī)性和清晰度,確保交通安全。最后,可以利用無人機(jī)測(cè)量交通信號(hào)燈的安裝高度和角度,確保信號(hào)燈的正確設(shè)置和可見性,提高交通流暢性。

        3.2 環(huán)境評(píng)估與土地利用規(guī)劃

        環(huán)境評(píng)估與土地利用規(guī)劃是無人機(jī)測(cè)繪在公路測(cè)量中的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)提供了高分辨率的航空影像和地面模型,為環(huán)境評(píng)估和土地利用規(guī)劃提供了豐富的地理數(shù)據(jù)和信息。利用無人機(jī)能夠捕捉公路周邊的植被分布、水域分布和自然景觀等重要環(huán)境要素,進(jìn)而獲取航空影像數(shù)據(jù),其所獲得的影像具有高分辨率的特點(diǎn),能清晰顯示不同類型的植被覆蓋和水域分布情況,有助于分析公路對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。例如,利用無人機(jī)測(cè)繪成果評(píng)估公路建設(shè)對(duì)植被破壞的程度,監(jiān)測(cè)公路沿線植被的變化,甚至進(jìn)行植被生態(tài)功能評(píng)估。此外,通過分析水域分布情況,可以評(píng)估公路建設(shè)對(duì)水資源的影響,為水資源管理和保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

        3.3 施工監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制

        無人機(jī)測(cè)繪可以提供實(shí)時(shí)的施工監(jiān)測(cè)和質(zhì)量控制信息。通過定期采集無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù),可以對(duì)公路施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)。無人機(jī)搭載的相機(jī)和傳感器可以獲取施工現(xiàn)場(chǎng)的高分辨率影像和地面數(shù)據(jù)。通過與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位施工過程中的偏差和錯(cuò)誤,提高施工的精度和效率。此外,無人機(jī)還可以進(jìn)行質(zhì)量檢查,例如檢測(cè)路面平整度、標(biāo)線位置等,確保公路的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)能夠覆蓋廣闊的施工區(qū)域,提供全面的視角和數(shù)據(jù)支持,有助于監(jiān)控施工進(jìn)度和質(zhì)量,減少人工巡檢的工作量,提高施工管理效率[2]。

        3.4 現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)

        無人機(jī)測(cè)繪還可以用于公路施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)測(cè)。首先,無人機(jī)可以用于檢測(cè)施工區(qū)域的安全隱患,其搭載高分辨率的相機(jī)和傳感器,可以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面的視覺監(jiān)測(cè),捕捉到施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)影像和視頻,并通過圖像分析和算法判斷是否存在安全隱患。例如,利用無人機(jī)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)穩(wěn)定性,及時(shí)發(fā)現(xiàn)土坡塌方、邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。此外,還能檢測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)、腳手架、圍擋等是否牢固可靠,提前發(fā)現(xiàn)施工過程中的安全問題。其次,無人機(jī)可以用于監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊的交通狀況。公路施工常常伴隨著交通管制和道路封閉,對(duì)交通安全提出了嚴(yán)格要求。通過無人機(jī)的航拍,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊道路的交通流量、交通堵塞情況和交通安全措施的有效性。如果發(fā)現(xiàn)交通安全措施不到位或存在交通堵塞等問題,可以及時(shí)采取措施解決,確保施工現(xiàn)場(chǎng)和周邊道路的交通安全。

        4 應(yīng)用案例分析

        在某段公路應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,經(jīng)上述過程數(shù)據(jù)處理后得到圖1 所示激光點(diǎn)云模型。

        圖1 激光點(diǎn)云模型

        無人機(jī)在1∶500 比例尺、地形測(cè)量精度為5cm,同一區(qū)域同比例尺條件下GPS-RTK 進(jìn)行測(cè)量復(fù)核,部分特征點(diǎn)兩者測(cè)量高程如下表1,同一特征點(diǎn)兩者測(cè)量高程對(duì)比均小于5cm,滿足精度要求。

        表1 無人機(jī)與RTK 測(cè)量地形特征點(diǎn)高程對(duì)比表

        將無人機(jī)和RTK 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,應(yīng)用方格網(wǎng)法測(cè)算土方,設(shè)計(jì)高程假定30m,計(jì)算過程如圖2、圖3 所示,無人機(jī)與RTK 測(cè)算土方量對(duì)比如表2所示。

        表2 無人機(jī)與RTK 測(cè)算土方量對(duì)比表

        圖2 無人機(jī)測(cè)算土方量

        圖3 RTK 測(cè)算土方量

        該公路隨機(jī)抽取面積為337.6m2范圍進(jìn)行試驗(yàn),按照設(shè)計(jì)高程30m 開挖,無人機(jī)測(cè)算土方量為3667.6m3,RTK 測(cè)算土方量為3623.8m3,兩者相差43.8m3,差值較小,可忽略不計(jì)。綜上所述,在1∶500比例尺條件下,土石方工程量計(jì)算可以使用無人機(jī)測(cè)圖替代傳統(tǒng)GPS-RTK 測(cè)圖,且無人機(jī)測(cè)圖工作效率更高,節(jié)約更多的成本,不足之處是無人機(jī)無法代替RTK 進(jìn)行構(gòu)筑物放樣。

        5 結(jié)語(yǔ)

        無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)成果在公路測(cè)量中的應(yīng)用為公路建設(shè)和管理帶來巨大的優(yōu)勢(shì)。通過快速獲取高精度的地理數(shù)據(jù),無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)提高了測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性,為公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,無人機(jī)測(cè)繪在公路測(cè)量中的應(yīng)用前景更加廣闊。未來,可以預(yù)見無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)將進(jìn)一步提高測(cè)量的精度和效率,推動(dòng)測(cè)繪數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理和分析,實(shí)現(xiàn)更高程度的智能化。同時(shí),無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)將與其他技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合,如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等,為公路建設(shè)和管理提供更多創(chuàng)新和解決方案。相信無人機(jī)測(cè)繪在公路測(cè)量中的應(yīng)用將繼續(xù)拓展,為公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

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