無人機(jī)、傾斜攝影在公路測量中的應(yīng)用

孫運(yùn)彬，李志剛

（正元地理信息有限責(zé)任公司山東分公司，濟(jì)南 250000）

1 引言

無人機(jī)平臺借助高精度多角度攝像設(shè)備，能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取高分辨率影像，為公路施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。以帶狀圖像為基本特征的公路地形圖，需要較高的精度以及圖幅之間的銜接技術(shù)。無人機(jī)的出現(xiàn)打破了原有的工作思維，為測繪人員打開了一片新天地。無人機(jī)和傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合，代替了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程，簡化了內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理，是工程測量的發(fā)展方向之一。

2 無人機(jī)、傾斜攝影的概念

無人機(jī)是一種攝影平臺，測量人員將不同角度的高分辨率攝像頭安裝在無人機(jī)的底部，為無人機(jī)設(shè)置多項(xiàng)參數(shù)，在高度平穩(wěn)、攝像角度一定的情況下，進(jìn)行攝影[1]。一般而言，無人機(jī)的多角度攝像頭拍到的影像重疊度在60%～65%。如此的重疊度，使得無人機(jī)影像的拍攝范圍小，數(shù)據(jù)量所占空間大，適合在帶狀公路建設(shè)工程中使用。此外，無人機(jī)的攝像分辨率還在不斷提高，能夠容納的地物不僅在變多，而且更加豐富。

傾斜攝影是一種確定地物點(diǎn)具體位置的攝影技術(shù)。對同一點(diǎn)進(jìn)行的多角度拍攝，形成了三點(diǎn)定位效果。根據(jù)拍攝時(shí)無人機(jī)的高度、姿態(tài)等參數(shù)，對圖像中的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行立體成像，從而形成三維立體圖，與此同時(shí)，還會形成DEM數(shù)據(jù)，判定地面高程變化。傾斜攝影技術(shù)比二維轉(zhuǎn)化成三維的傳統(tǒng)技術(shù)在精度、視覺效果以及反映地物真實(shí)性方面更加優(yōu)越，便于測繪行業(yè)內(nèi)外人士的運(yùn)用。無人機(jī)和傾斜攝影是密不可分的，無人機(jī)測量平臺和傾斜攝影的技術(shù)將整個(gè)測繪工作向著簡便、精準(zhǔn)、自動(dòng)化的方向推向。

3 無人機(jī)便捷性分析

無人機(jī)攝影技術(shù)在是衛(wèi)星遙感攝影原理和基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與遙感攝影相比，無人機(jī)攝影技術(shù)避免了大氣傳播過程中能量的散射以及幾何變形，縮短了攝影周期，提高了圖像的分辨率；與GPS-RTK技術(shù)相比[2]，無人機(jī)攝影技術(shù)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不需要設(shè)定基站，也不需要測量人員進(jìn)行逐點(diǎn)測量，縮短了測量工作的整個(gè)周期；與傳統(tǒng)的導(dǎo)線法、三角或三邊三角網(wǎng)法相比，無人機(jī)攝影技術(shù)不需要做多級支站，且測量精度更高。下文將對無人機(jī)的便捷性進(jìn)行分析。

3.1 無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的周期短

經(jīng)過10多年的發(fā)展，無人機(jī)攜帶高精度、多角度相機(jī)，能夠在極短的時(shí)間之內(nèi)獲得整個(gè)測區(qū)數(shù)據(jù)，并且能夠以相同的比例尺獲得較大圖幅的內(nèi)容。如果運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取圖像，則需要半個(gè)月或一周時(shí)間，如果運(yùn)用GPS-RTK技術(shù)測量，則需要3到5天時(shí)間。而無人機(jī)只需要設(shè)定好飛行路線以及飛行次數(shù)，不需要半個(gè)小時(shí)便可以獲取整個(gè)公路施工區(qū)域的圖像資料。在后期數(shù)據(jù)的處理中，只需要均勻挑選特征點(diǎn)，進(jìn)行對應(yīng)的坐標(biāo)匹配，便可以為整個(gè)施工提供設(shè)計(jì)底圖。

3.2 無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的精度高

公路施工需要 1：500、1：1000 以及 1：2000 的地形圖。無人機(jī)根據(jù)需要可在低于1000m的高度進(jìn)行飛行，無人機(jī)攜帶的高分辨率傳感器精度可達(dá)到厘米級別，且獲取的彩色影像能夠?qū)⒌孛鏈y區(qū)內(nèi)的細(xì)節(jié)全部展現(xiàn)出來。通過后期處理，圖像數(shù)據(jù)成果可以生成DEM和DOM圖，展示出三維場景。只需要沿著公路中心為量測特征點(diǎn)，就能夠做好圖像糾正，生成正式的地形圖[3]。高精度的無人機(jī)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理后呈現(xiàn)的三維效果，能夠讓工作者更加直觀地感受測區(qū)的實(shí)際情況。

3.3 無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的成本低

無人機(jī)單次獲取數(shù)據(jù)的成本與其他方式相比是非常低廉的。從無人機(jī)需要的測量人員看，一般三個(gè)工作人員便可以完成整個(gè)測區(qū)的圖像采集任務(wù)；從無人機(jī)需要的設(shè)備看，僅需要無人機(jī)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不需要基站，也不需要多個(gè)全站儀測量設(shè)備。因此，無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的成本是最低的。在地勢平坦地區(qū)，無人機(jī)獲取的圖像遮擋少，速度快；在地勢起伏大，遮擋物較多地區(qū)，無人機(jī)的多個(gè)攝影頭可以多角度攝像，將盲區(qū)縮小到最小范圍。無人機(jī)需要重測的概率極低，數(shù)據(jù)的高質(zhì)量也是其成本小的重要原因。

4 無人機(jī)、傾斜攝影在公路選、定線以及帶狀圖測繪中的應(yīng)用

無論是新公路建設(shè)還是舊路重建，都需要對公路進(jìn)行選、定線，借助帶狀圖進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境、水文條件等內(nèi)容的判斷。無人機(jī)、傾斜攝影能夠更加直觀、更加便捷的為公路選、定線，確定公路的修建方向提供幫助，盡可能地降低公路建設(shè)成本。本節(jié)將無人機(jī)、傾斜攝影的應(yīng)用分山嶺區(qū)、平原區(qū)、丘陵區(qū)三個(gè)方面進(jìn)行敘述。

4.1 無人機(jī)、傾斜攝影在山嶺區(qū)測繪中的應(yīng)用

公路建設(shè)通過山嶺區(qū)時(shí)，需要充分考慮上嶺線和下嶺線、路線偏離度、路線填挖量、放坡、路面陰陽位置比例以及排水管道設(shè)計(jì)等。首先，無人機(jī)、傾斜攝影能夠直觀地展示山嶺地區(qū)的地面全貌，公路路線的設(shè)計(jì)者可以根據(jù)影像反映出的地區(qū)實(shí)際情況，預(yù)先設(shè)計(jì)出多條建設(shè)路線。其次，根據(jù)多條建設(shè)路線，從路線偏離度、土方填挖量、路面在陽坡和陰坡上的比例等要素對幾種設(shè)計(jì)路線進(jìn)行選擇。再次，在放坡和填挖土方量的過程中，利用遙感影像選、定線。根據(jù)影像的情況，設(shè)計(jì)出地面選、定點(diǎn)的大致位置。最后，形成以公路為中心的帶狀定點(diǎn)路線，形成一級控制點(diǎn)，利用PTK進(jìn)行實(shí)地測點(diǎn)，為公路建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 無人機(jī)、傾斜攝影在平原區(qū)測繪中的應(yīng)用

平原區(qū)公路建設(shè)的選定線比山嶺區(qū)難度小，沒有山體、植被的大面積遮擋。但是，平原區(qū)公路建設(shè)需要考慮到建設(shè)成本、轉(zhuǎn)彎曲線、高壓塔、村莊、已有公路以及其他重要的地物。在選、定線過程中，無人機(jī)利用傾斜攝影技術(shù)，在100m左右的高度，對整個(gè)工程進(jìn)行觀測，發(fā)揮空中三角形測量的作用，形成三維立體圖。如此一來，新建公路或重建公路能夠看到具體路線上需要繞開的城鎮(zhèn)、村莊，可以看到可以交叉的已有公路，在此基礎(chǔ)上開展選、定工作。在內(nèi)部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，選、定的點(diǎn)還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。在后期選、定點(diǎn)的實(shí)際工作中，還可以利用這些影像圖進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以便將實(shí)地測量以及后續(xù)工程的成本降到最低。

4.3 無人機(jī)、傾斜攝影在丘陵區(qū)測繪中的應(yīng)用

丘陵區(qū)公路建設(shè)的選定任務(wù)比較重，其地勢起伏不定，水文條件不明，轉(zhuǎn)彎十分多。按照傳統(tǒng)的測繪方法，需要繞著整個(gè)工程區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，這個(gè)時(shí)間比較長，也需要花費(fèi)大量的勞動(dòng)力。首先，無人機(jī)能夠沿著丘陵區(qū)公路進(jìn)行地勢、地貌的立體觀測，幫助測繪人員得到較為完整的地區(qū)圖像。然后，按照圖像進(jìn)行實(shí)地情況分析，減少外業(yè)踏勘的次數(shù)以及工作量；最后，將整個(gè)公路建設(shè)進(jìn)行分段，每一段區(qū)域的公路建設(shè)都可以在圖像的指引下選擇公路的具體建設(shè)路線，并在公路的中線定點(diǎn)，為后期施工做好基礎(chǔ)工作。

5 無人機(jī)、傾斜攝影在公路橫縱斷面測量中的應(yīng)用

無人機(jī)和傾斜攝影聯(lián)合測量后，經(jīng)過空三處理，得到DEM和DOM影像。在公路橫縱斷面測量中，可以利用生成的DEM判定高程差，從而確定具體的施工方案。本節(jié)從三個(gè)方面分析其在橫縱斷面測量中的應(yīng)用。

5.1 在帶狀圖上進(jìn)行內(nèi)插，明確測區(qū)的高程差

由于無人機(jī)、傾斜攝影能夠提供DEM，判定公路施工各個(gè)部分的高程差，從而解決坡道、曲線、轉(zhuǎn)彎等多種問題。首先，將外業(yè)航飛獲取的圖像進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，結(jié)合外業(yè)測量的特征點(diǎn)，進(jìn)行影像配準(zhǔn)[4]；然后，根據(jù)公路工程的需求，對生成的DEM圖進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，更加具體地反映公路路線的高程變化；最后，通過內(nèi)業(yè)軟件，篩選出具有橫斷面特征的部分，并確定其傾斜角度，為橫斷面處理準(zhǔn)備好基礎(chǔ)材料。測區(qū)橫斷面篩選成功后，測繪人員只需要在這些地方進(jìn)行布測，觀察周圍的環(huán)境，為這些橫斷面的施工設(shè)計(jì)提供具體數(shù)據(jù)。無人機(jī)、傾斜攝影代替了傳統(tǒng)測量手段，篩選橫斷面的效率和精度大大提高，其成本也得到了有效控制。

5.2 基于影像成果，計(jì)算填挖土方量

無人機(jī)、傾斜攝影測量得到的影像是在多項(xiàng)參數(shù)下得到的，完全可以推算出圖像比例尺。換句話而言，測區(qū)內(nèi)的面積、體積都是可以通過影像計(jì)算出來的。山區(qū)公路建設(shè)過程中需要的填挖土方量便可以直接在影像圖上進(jìn)行計(jì)算[5]。首先，判斷公路施工區(qū)域需要填挖土方量的具體位置，在這些位置上觀察周圍土壤、巖石走向，確定公路建設(shè)需要挖走或者填充進(jìn)來的土方量。在填充方面，可以選擇就近取材，以瑣碎的石塊、優(yōu)質(zhì)土壤等進(jìn)行填充，設(shè)計(jì)出兩者比例，既要能夠節(jié)約成本，又能夠保證公路的質(zhì)量；在挖出方面，需要對周圍的地質(zhì)條件進(jìn)行探查，考慮到巖體、水體等方面的影響，盡量減少對周圍環(huán)境的影響，產(chǎn)生的廢料也可借助影像圖選擇投放地點(diǎn)。

5.3 借助影像，觀察橫縱斷面處理對周圍的影響

在公路進(jìn)行橫縱斷面處理的過程中，很容易對周圍的地形、地勢造成影響。采用不斷更新的無人機(jī)影像圖觀察周圍巖體、水體以及其他地物的沉降和變動(dòng)。通過這些地物的變化趨勢，判斷橫縱斷面是否能夠繼續(xù)進(jìn)行[6]。在平原區(qū)，這種實(shí)時(shí)監(jiān)測的必要性不明顯，但是，在丘陵和山嶺區(qū)，一旦由于施工的震動(dòng)、開挖和填充的不合理，改變了山體內(nèi)部的平衡，而又沒有察覺，就會給整個(gè)工程以及工人帶來不可挽回的損失?？紤]到安全和施工質(zhì)量因素，開展無人機(jī)定期航飛計(jì)劃，能夠有效檢測周圍山體的變動(dòng)，保障施工人員的安全。

6 結(jié)語

無人機(jī)、傾斜攝影是公路測繪發(fā)展的新方向。無人機(jī)和傾斜攝影技術(shù)代替了傳統(tǒng)的人工測繪手段，不僅提高了工作效率，還提升了測量精準(zhǔn)度。如今，無人機(jī)、傾斜攝影在三維成像技術(shù)方面的發(fā)展獲得了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可[7]，在實(shí)際生產(chǎn)中展現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)越性?？傊瑤罟窚y量工作需要無人機(jī)、傾斜攝影技術(shù)的支持，需要真實(shí)的高分辨率影像提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。