畢翔

(廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361000)

市政道路設(shè)計(jì)作為市政工程項(xiàng)目建設(shè)前一項(xiàng)重要工作，其設(shè)計(jì)水平直接決定著后期市政道路使用效果。將無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用于市政道路設(shè)計(jì)中，有利于提升設(shè)計(jì)工作中各類數(shù)據(jù)信息獲取效率和準(zhǔn)確性，為合理制定市政道路設(shè)計(jì)方案提供參考依據(jù)，進(jìn)而將該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。無人機(jī)傾斜攝影如何在市政道路設(shè)計(jì)中有效應(yīng)用，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問題。

1 無人機(jī)傾斜攝影在市政道路設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

市政道路工程作為惠及民生的建設(shè)項(xiàng)目，其中市政道路設(shè)計(jì)作為工程項(xiàng)目建設(shè)前期階段的重要工作之一，保證市政道路設(shè)計(jì)水平，不僅可以為市政工程順利建設(shè)提供基礎(chǔ)保障，又能進(jìn)一步提高該項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在市政道路設(shè)計(jì)工作開展過程中，要綜合考慮多方面影響因素，為提高市政道路設(shè)計(jì)水平，可以將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)引入并應(yīng)用于市政道路設(shè)計(jì)中，以航拍航測(cè)方式快速且準(zhǔn)確獲取目標(biāo)物影像數(shù)據(jù)，為市政道路設(shè)計(jì)提供全面性、真實(shí)性的數(shù)據(jù)，以解決市政道路設(shè)計(jì)工作中所遇到的難點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)市政道路設(shè)計(jì)方案科學(xué)、合理制定[1]。

市政道路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性工作，發(fā)揮無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與測(cè)量方面優(yōu)勢(shì)，借助無人機(jī)設(shè)備對(duì)規(guī)劃測(cè)區(qū)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集，并將所采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，可在系統(tǒng)中自動(dòng)生成三維實(shí)景模型，將測(cè)區(qū)內(nèi)地物外觀、位置、高度等關(guān)鍵參數(shù)直觀地反映。同時(shí)將多臺(tái)傳感器安裝于無人機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，可以滿足不同方位影像數(shù)據(jù)獲取需求。相較于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)所存在不足，又能提升數(shù)據(jù)采集、處理等環(huán)節(jié)操作便捷性，有效減少后期市政道路設(shè)計(jì)時(shí)間成本投入。

2 市政道路設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影

2.1 項(xiàng)目概述

本文以廈門新機(jī)場(chǎng)片區(qū)翔安東路(翔安南段—機(jī)場(chǎng)快速路段)道路工程為例，為了更好地滿足道路工程設(shè)計(jì)階段用圖要求，需要在此項(xiàng)工作中完成道路兩側(cè)各40m范圍的數(shù)字化測(cè)量任務(wù)，為后期道路工程建設(shè)提供準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)用圖及道路縱斷數(shù)據(jù)。

該工程項(xiàng)目位于廈門翔安區(qū)與蓮河片區(qū)，第一段工程中溪東路主線高架長約2.4km，溪東路周邊道路現(xiàn)狀如圖1。其中跨翔安南路立交主線長約0.746km。翔安南路互通主線長度為0.7km，地面層改造長約2.9km，立交匝道長的2.1km。路線起點(diǎn)是翔安南路立交上跨蓮河中路順接濱海東大道。

第二段工程起于濱海東大道終于機(jī)場(chǎng)快速路段，地面層路線長約3.6km，無高架部分長度為0.659km，高架層總長約4.168km。路線起點(diǎn)順接濱海東大道與溪東路立交口南端左右轉(zhuǎn)匝道，呈南北走向，向南延伸并跨過海域，終點(diǎn)通過地面層與高架層分別與機(jī)場(chǎng)快速路不同路段順接。其中地面層與機(jī)場(chǎng)快速路平交于上紅壁村，高架層與機(jī)場(chǎng)快速路順接于下紅壁村。本次擬提升改造為80m寬橫斷面。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1 市政道路設(shè)計(jì)中地形圖獲取流程

在市政道路設(shè)計(jì)工作開展過程中，充分利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)特性，再結(jié)合工程所在區(qū)域?qū)嶋H情況，明確市政道路改造設(shè)計(jì)中地形圖獲取流程，主要涉及外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模以及地形圖制作等流程[2]。通過應(yīng)用高等級(jí)控制網(wǎng)，做好現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制工作，在此基礎(chǔ)上建立市政道路改造設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)網(wǎng)，并應(yīng)用無人機(jī)設(shè)備完成相關(guān)影像資料獲取，同時(shí)將獲取的影像資料導(dǎo)入專用軟件中，搭建三維實(shí)景模型，用于制作市政道路改造設(shè)計(jì)所需地形圖。市政道路設(shè)計(jì)中地形圖獲取流程示意參考圖2。

圖2 市政道路設(shè)計(jì)中地形圖獲取流程

2.2.2 數(shù)據(jù)采集前準(zhǔn)備

由廈門市測(cè)繪信息服務(wù)中心建設(shè)的廈門市衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(即CORS系統(tǒng))作為本次測(cè)量起算數(shù)據(jù)；基于《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJT 8—2011)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)、《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)技術(shù)規(guī)范》(CH/T 2009—2010)(以下簡(jiǎn)稱《RTK技術(shù)規(guī)范》)、《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式》(GB/T 20257.1—2007)以及《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 18316—2008)等國家現(xiàn)行規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，著手開展市政道路設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)信息采集工作，以保證數(shù)據(jù)采集過程規(guī)范性與全面性。

本次測(cè)量工作中平面坐標(biāo)系統(tǒng)主要采用“92廈門坐標(biāo)系”，屬1.5°帶高斯平面直角坐標(biāo)系，中央子午線118°30′，高程系統(tǒng)采用85國家高程基準(zhǔn)。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

綜合考慮市政道路工程所在區(qū)域交通量大、交通組織復(fù)雜程度高等特點(diǎn)，為了進(jìn)一步提升無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用效果，并保證數(shù)據(jù)采集效率和準(zhǔn)確性，提出在應(yīng)用無人機(jī)正射或者傾斜攝影技術(shù)靈活運(yùn)用以滿足設(shè)計(jì)人員或者業(yè)主的要求，不僅能為前期業(yè)主規(guī)劃了解提供更加準(zhǔn)確且真實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，又能有效強(qiáng)化測(cè)量工作質(zhì)量控制。

首先，在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，通過對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)工程項(xiàng)目施工區(qū)域地物信息全面采集，再整合和處理無人機(jī)所獲取到的原始影像及其他數(shù)據(jù)信息，以保證后期無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模的高精度。

其次，為準(zhǔn)確獲取市政道路工程項(xiàng)目施工區(qū)域地面物頂部及四周紋理影像，要集成無人機(jī)、傳感器、GPS接收機(jī)等相關(guān)設(shè)備建立一體化測(cè)量體系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和測(cè)量工作要求，確定測(cè)量區(qū)域內(nèi)傳感器設(shè)置數(shù)量。由于受到無人機(jī)續(xù)航能力不強(qiáng)制約，測(cè)量人員應(yīng)在數(shù)據(jù)采集之前，合理選定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量區(qū)域，避免后期發(fā)生數(shù)據(jù)采集與測(cè)量不準(zhǔn)確、時(shí)效性較差等問題。待測(cè)區(qū)選定與規(guī)劃完成后，要保證每個(gè)測(cè)區(qū)均勻布設(shè)像控點(diǎn)及檢核點(diǎn)，確保無人機(jī)傾斜攝影在市政道路設(shè)計(jì)中有效應(yīng)用。

最后，整合前期所獲取到的影像數(shù)據(jù)，待影像數(shù)據(jù)整合完成后，將其導(dǎo)入相應(yīng)平臺(tái)中并進(jìn)行處理，如大疆成圖軟件或者CC成圖軟件完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理。各項(xiàng)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中導(dǎo)入后，可以運(yùn)用GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，即像控點(diǎn)的導(dǎo)入和刺點(diǎn)工作，再高精度處理其他數(shù)據(jù)，即可獲取前期規(guī)劃測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，主要包括DSM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)等，加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)操作規(guī)范性控制，以保障市政道路設(shè)計(jì)中實(shí)景三維模型搭建有效性[3]。

2.2.4 RTK技術(shù)控制測(cè)量與數(shù)據(jù)精度評(píng)定

1)采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量方法接收由廈門市測(cè)繪信息服務(wù)中心建設(shè)的廈門市衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(即CORS系統(tǒng))播發(fā)的數(shù)據(jù)，并作為本次測(cè)量起算數(shù)據(jù)，沿工程線路檢查測(cè)區(qū)內(nèi)已有一級(jí)控制點(diǎn)。

2)RTK控制點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，流動(dòng)站采集衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)鏈接收來者CORS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值，再以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將觀測(cè)得到的地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為制定坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)。平面坐標(biāo)點(diǎn)位精度點(diǎn)位中誤差≤±5CM，邊長相對(duì)中誤差≤1/10000。RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量精度及技術(shù)規(guī)范參考表1。

表1 RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量精度及技術(shù)規(guī)范

此外，采用RTK測(cè)量控制點(diǎn)時(shí)，要保證高程的準(zhǔn)確性，使用水準(zhǔn)閉合觀測(cè)，軟件平差獲得結(jié)果，觀測(cè)的單站前后視距差1.5m，累計(jì)視距差10m。

2.2.5 無人機(jī)傾斜攝影建模

將前期階段通過無人機(jī)傾斜攝影所獲取數(shù)據(jù)導(dǎo)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，并在系統(tǒng)中自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的三維實(shí)景模型；可以利用Context Capture軟件輔助完成多幅航片處理，以節(jié)省三維實(shí)景模型搭建時(shí)間。待無人機(jī)傾斜攝影建模結(jié)束后，需要做好以下幾項(xiàng)工作。

1)轉(zhuǎn)換無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)格式。因現(xiàn)階段無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)中均有安裝自動(dòng)建模軟件，可以滿足無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與處理完成后，直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)搭建三維實(shí)景模型的需求。為了提升市政道路設(shè)計(jì)合理性，可在該環(huán)節(jié)引入Cass 3D技術(shù)，將無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輸出格式進(jìn)行確定，保證各類數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一性，方便后續(xù)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和管理[4]。

2)利用Cass 3d技術(shù)可視化、位置檢查、設(shè)計(jì)方案優(yōu)化等功能，可以向設(shè)計(jì)人員直觀地展示市政道路項(xiàng)目模型在實(shí)景中的位置，了解各要素之間的高度關(guān)系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計(jì)缺陷，做好Cass 3D技術(shù)該環(huán)節(jié)所需數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確保無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)有效融合及應(yīng)用。

2.2.6 數(shù)字地形圖測(cè)繪及成圖

以地形圖測(cè)量比例尺為1∶500為標(biāo)準(zhǔn)，可采用全站儀外業(yè)采集和RTK動(dòng)態(tài)地形測(cè)量1∶500數(shù)字地形圖。具體操作流程如下。

1)外業(yè)采集。借助全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，由于本項(xiàng)目為舊路改造設(shè)計(jì)，保證地形地物的數(shù)字精度非常必要，其中道路、街、巷、加固坎等轉(zhuǎn)點(diǎn)、道路兩側(cè)房屋、圍墻或者其他可起界線(點(diǎn))作用且耐久牢固角點(diǎn)(邊線)明確的地物等要素角點(diǎn)均設(shè)置為一級(jí)地物點(diǎn)；其相對(duì)臨近控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差≤±3.0cm。處于隱蔽地區(qū)(布設(shè)附合圖根導(dǎo)線非常困難)的房屋、圍墻或者其他可起界線(點(diǎn))作用的建筑物或構(gòu)筑物等要素角點(diǎn)均設(shè)置為二級(jí)地物點(diǎn)，其相對(duì)臨近控制點(diǎn)(二級(jí)圖根點(diǎn)以上各級(jí)控制點(diǎn))點(diǎn)位中誤差≤±5.0cm，其他地物點(diǎn)相對(duì)臨近控制點(diǎn)(含二級(jí)圖根點(diǎn)以上各級(jí)控制點(diǎn))點(diǎn)位中誤差≤±7.5cm。測(cè)量人員嚴(yán)格按照上述精度規(guī)范要求進(jìn)行外業(yè)采集。

2)采集作業(yè)開始前，需要對(duì)儀器進(jìn)行檢查和校正，尤其是要加強(qiáng)對(duì)容易忽略配件的檢查和校正，如中器檢查，腳架檢查以及棱鏡常數(shù)檢查等。

3)測(cè)定細(xì)部點(diǎn)邊長以全站儀單程測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，水平角、垂直角僅需觀測(cè)半測(cè)回即可。

4)提升對(duì)測(cè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)選擇工作重視程度，防止出現(xiàn)測(cè)量邊比定向邊更長的問題。作業(yè)開始時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)是否符合精度要求進(jìn)行檢查，若檢核結(jié)果超限，需要仔細(xì)查找原因，重新檢查，直至測(cè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)檢查符合規(guī)定限差后方可進(jìn)行作業(yè)[5]。

5)注意儀器對(duì)中整平處理，若長時(shí)間置于一個(gè)站，應(yīng)隨時(shí)觀察氣泡偏離情況，當(dāng)氣泡偏離值超限情況出現(xiàn)時(shí)，則要重新對(duì)中整平，再次進(jìn)行定向，方可準(zhǔn)確開展下一步作業(yè)。

6)地形圖要素采集要嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行，將前期所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并用專業(yè)軟件進(jìn)行編輯成圖，最后在AutoCAD2004中完成出圖。

2.2.7 成果數(shù)據(jù)處理與檢查

待RTK控制測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，相關(guān)人員應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行備份和檢查，借助儀器自帶內(nèi)存卡或數(shù)據(jù)采集器處理RTK控制測(cè)量外業(yè)觀測(cè)記錄。基于RTK技術(shù)施測(cè)的控制點(diǎn)成果數(shù)據(jù)檢查，應(yīng)進(jìn)行100%的內(nèi)業(yè)檢查和不少于總點(diǎn)數(shù)10%的外業(yè)檢測(cè)，平面控制點(diǎn)外業(yè)檢測(cè)可采用相應(yīng)等級(jí)的衛(wèi)星定位靜態(tài)(快速靜態(tài))技術(shù)測(cè)定坐標(biāo)、全站儀測(cè)量邊長和角度等方法；高程控制點(diǎn)外業(yè)檢測(cè)可采用相應(yīng)等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)RTK高程測(cè)量、幾何水準(zhǔn)測(cè)量等方法；檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)均勻分布測(cè)區(qū)。

3 結(jié)語

綜上所述，數(shù)據(jù)采集作為市政道路設(shè)計(jì)工作中的重要環(huán)節(jié)，將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于市政道路設(shè)計(jì)中，不僅可以提升數(shù)據(jù)獲取效率，又能保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性、全面性以及真實(shí)性，為后期合理設(shè)計(jì)市政道路提供有價(jià)值參考依據(jù)同時(shí)，又能進(jìn)一步提高市政道路工程建設(shè)水平，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益最大化。