無人機(jī)航測技術(shù)在公路各設(shè)計階段中的應(yīng)用研究★

相詩堯 姚守峰 陳婷婷 張 濤

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250031； 2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

隨著無人機(jī)飛控技術(shù)、GPS定位技術(shù)的發(fā)展以及制造工藝的改進(jìn)，使得無人機(jī)的飛行性能、操控方式、續(xù)航時間等得到了極大的提高，同時制造成本也逐漸減低，進(jìn)而使無人機(jī)應(yīng)用更加廣泛[1]。公路設(shè)計離不開現(xiàn)場數(shù)據(jù)的支持，設(shè)計方案應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境，這樣才能保證方案的合理性和有效性[2]。通過在無人機(jī)上掛載各類數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，能夠獲得多種類型的航測數(shù)據(jù)[3,4]，可為公路設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，并進(jìn)一步達(dá)到提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率的目的。本文將全面闡述無人機(jī)航測技術(shù)在公路各設(shè)計階段中的應(yīng)用。

1 無人機(jī)航測數(shù)據(jù)種類及獲取方法

1.1 航拍視頻數(shù)據(jù)

通過無人機(jī)拍攝的視頻數(shù)據(jù)，可以清晰、直觀地展現(xiàn)公路設(shè)計范圍內(nèi)的地形地勢條件、人文環(huán)境要素、農(nóng)田土地類型、建筑種類信息等等，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的快速辨識。

對于視頻數(shù)據(jù)的獲取，需要通過多旋翼無人機(jī)搭載云臺相機(jī)完成，分為手控航拍和自主航拍兩種方式。對于重要的規(guī)劃設(shè)計區(qū)域，例如互通樞紐立交、大跨徑橋梁等區(qū)域可以采用多視角、不同高度的手控航拍方式，對于整條設(shè)計公路而言，可將設(shè)計路線轉(zhuǎn)化為無人機(jī)的飛行航線，通過地面站控制，實(shí)現(xiàn)自主飛行，完成航拍。

1.2 正射影像數(shù)據(jù)

正射影像數(shù)據(jù)是由無人機(jī)搭載相機(jī)在空中垂直拍攝多幅高重疊度的航片，通過空三加密、DSM構(gòu)建、鑲嵌勻光等技術(shù)方法生成的真正射影像數(shù)據(jù)[5]。通過正射影像可以實(shí)現(xiàn)對地面植被、水系、公路、建筑物等的判別和辨識，具有數(shù)據(jù)精度高、影像清晰的優(yōu)勢。

對于公路設(shè)計領(lǐng)域正射影像的獲取，多采用固定翼無人機(jī)掛載高清相機(jī)完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。為保證獲取航片的位置精度，需要沿設(shè)計路線布設(shè)大量的像控點(diǎn)，并在無人機(jī)上安裝RTK或者PPK系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將正射影像投射到真實(shí)的大地坐標(biāo)中，以此為依托展開公路設(shè)計。整個飛行過程由地面站控制，拍攝的航片采用Pix4Dmapper，PhotoScan等軟件進(jìn)行處理。

1.3 機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是在多旋翼無人機(jī)上掛載激光雷達(dá)以及定位定姿系統(tǒng)獲取的記錄地物空間三維坐標(biāo)信息的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分類，并實(shí)現(xiàn)地表特征提取，利用多次回波技術(shù)，可獲得剔除植被、人工建筑之后的地面點(diǎn)，進(jìn)而可以構(gòu)建更加準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型(DEM)，為方案設(shè)計、挖填方計算等提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。該技術(shù)手段具有數(shù)據(jù)精度高、受天氣影響小、自動化程度高的特點(diǎn)。

1.4 三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)

三維實(shí)景模型是采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的描述地物表面和側(cè)面紋理信息的三維立體模型數(shù)據(jù)[6]。通過該模型可以準(zhǔn)確獲取地物的長度、高度、面積和體積信息，并準(zhǔn)確獲知地物類型、特征屬性等信息，具有真實(shí)、精度高、紋理清晰的特點(diǎn)。

該模型數(shù)據(jù)的獲取是通過多旋翼無人機(jī)掛載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)對地物進(jìn)行多角度航測，獲取記錄地物表面和側(cè)面紋理信息的航片，再經(jīng)過空三加密、影像密集匹配、紋理映射等處理方法，最終生成具有真實(shí)紋理的三維實(shí)景模型，數(shù)據(jù)處理軟件多采用ContextCapture、街景工廠等等。

2 無人機(jī)航測數(shù)據(jù)在各設(shè)計階段的典型應(yīng)用

2.1 無人機(jī)航測在工程可行性研究階段的應(yīng)用

在工程可行性研究階段，了解現(xiàn)場環(huán)境對于路線規(guī)劃設(shè)計至關(guān)重要，需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)查并獲知現(xiàn)場狀況，以驗(yàn)證設(shè)計路線的合理性。在外業(yè)調(diào)查中，可采用多旋翼無人機(jī)輔助調(diào)查工作的展開，對于重要區(qū)域以及難以到達(dá)的地形復(fù)雜地區(qū)，可通過手控航拍方式記錄現(xiàn)場環(huán)境。同時，也可以將設(shè)計路線轉(zhuǎn)化為無人機(jī)的飛行航線，通過地面站設(shè)置飛行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)超視距飛行，獲取設(shè)計公路沿線的視頻數(shù)據(jù)。對于工程可行性研究階段而言，通過無人機(jī)拍攝的視頻資料具有獲取速度快、成本低、現(xiàn)勢性強(qiáng)的優(yōu)勢，并可減少外業(yè)調(diào)查人員數(shù)量，達(dá)到節(jié)省人力的目的。由于是在空中俯拍整個工程現(xiàn)場，能夠清晰地展示現(xiàn)場環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的記錄，便于方案的優(yōu)化設(shè)計。圖1為通過多旋翼無人機(jī)拍攝的某高速公路改擴(kuò)建設(shè)計項目工程可行性研究階段的視頻資料，可以清晰地看出待擴(kuò)建公路兩側(cè)的廠房、建筑物等情況，能為方案設(shè)計提供直觀的數(shù)據(jù)資料。圖2為某高速公路新建路段設(shè)計項目工程可行性研究階段的航拍視頻資料，該視頻是由無人機(jī)自主飛行拍攝的視頻數(shù)據(jù)，通過該視頻可進(jìn)行公路建設(shè)的拆遷量統(tǒng)計以及公路設(shè)計路線的合理性驗(yàn)證。

2.2 無人機(jī)航測在初步設(shè)計和施工圖設(shè)計中的應(yīng)用

在初步設(shè)計和施工圖設(shè)計階段，多采用1∶ 2 000地形圖數(shù)據(jù)以及人工定測方式。利用無人機(jī)航測技術(shù)獲取的正射影像數(shù)據(jù)能夠顯示真實(shí)的地物信息，比如房屋種類、植被類型、水系環(huán)境等情況，可輔助公路平面線形設(shè)計以及重要結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖3為正射影像和地形圖的疊加顯示效果，以此可更加清晰直觀地獲知地物信息。利用高精度、高密度的機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建精確的數(shù)字高程模型，可進(jìn)一步輔助完成道路縱斷面、橫斷面設(shè)計以及道路平面線形優(yōu)化。圖4為某高速公路新建段設(shè)計項目中，通過機(jī)載激光點(diǎn)云構(gòu)建的數(shù)字高程模型與正射影像的疊加顯示效果圖，可為公路設(shè)計提供真實(shí)的三維地形地貌。

通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的三維實(shí)景模型實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場環(huán)境真實(shí)還原，并提供地物高精度的空間位置信息以及逼真的表面和側(cè)面紋理。對高填深挖路段、重要橋梁設(shè)計路段、隧道出入口等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模，可查看設(shè)計方案與周邊環(huán)境的匹配、融合程度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計。同時，利用三維實(shí)景模型能夠快速完成體積計算，實(shí)現(xiàn)輔助土石方計量。圖5為高速公路改擴(kuò)建項目高邊坡區(qū)域的三維實(shí)景模型。

2.3 無人機(jī)航測在BIM設(shè)計中的應(yīng)用

目前，BIM技術(shù)已經(jīng)逐漸在公路設(shè)計中展開應(yīng)用，利用無人機(jī)航測技術(shù)能夠?yàn)锽IM設(shè)計提供完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[7]。利用獲取的正射影像數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建精準(zhǔn)的三維地形地貌，以此為基礎(chǔ)，可以開展方案設(shè)計和方案比選等工作。對于市區(qū)道路設(shè)計、重要橋梁、隧道設(shè)計可采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取三維實(shí)景模型完成BIM三維設(shè)計。圖6為融合了正射影像數(shù)據(jù)、機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜攝影三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)的BIM三維設(shè)計成果。

3 結(jié)語

無人機(jī)航測技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于公路設(shè)計的各個階段，所獲取數(shù)據(jù)具有精度高、紋理清晰、直觀形象的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)減少外業(yè)調(diào)查人員數(shù)量、提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量的目的。在今后的研究和實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)深入挖掘無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值并開展多方面應(yīng)用。