無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在海外公路勘測(cè)中的應(yīng)用

王永杰

（中鐵十四局集團(tuán)海外分公司,山東 濟(jì)南250014）

1 概述

近年來(lái),我國(guó)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅猛,相比于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù),無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有快速高效、機(jī)動(dòng)靈活、分辨率高、處理速度快、運(yùn)行成本低等特點(diǎn),厄瓜多爾瓜蘭達(dá)公路項(xiàng)目參照我國(guó)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行航測(cè)公路地形圖,取得了良好的勘測(cè)成果。

2 工程概況及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 厄瓜多爾瓜蘭達(dá)公路概況

瓜蘭達(dá)市繞城快速通道公路項(xiàng)目位于南美洲厄瓜多爾玻利瓦爾省瓜蘭達(dá)市,起點(diǎn)位于瓜努霍市,終點(diǎn)與通往欽博鎮(zhèn)的491 國(guó)道相連,線路全長(zhǎng)13.29 千米,采用雙向兩車道,設(shè)計(jì)時(shí)速80 公里/小時(shí),路基寬度17.3m,設(shè)計(jì)荷載為一級(jí)公路,計(jì)劃于2023 年建成通車。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

（1）無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái): 瓜蘭達(dá)公路地形航測(cè)采用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為大疆PHANTOM 4PRO 無(wú)人機(jī),機(jī)身采用四旋翼結(jié)構(gòu)。（2）無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)：無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用DJI Guidance 導(dǎo)航系統(tǒng),Guidance 具有視覺里程計(jì)、避障、RGBD 等多個(gè)功能。（3）無(wú)人機(jī)攝影及地面面站系統(tǒng)：本項(xiàng)目采用的大疆PHANTOM 4PRO 攝影系統(tǒng)由一臺(tái)2000 萬(wàn)像素單鏡頭相機(jī)和一個(gè)三軸云臺(tái)組成,地面站系統(tǒng)采用大疆PHANTOM 4PRO 一體遙控器,最大信號(hào)遙控距離為8km。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量外業(yè)流程圖

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要分為外業(yè)飛行拍攝及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分。其中外業(yè)拍攝流程圖如圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)外業(yè)拍攝流程圖

3.2 測(cè)區(qū)調(diào)查

瓜蘭達(dá)公路項(xiàng)目航測(cè)區(qū)域位于瓜蘭達(dá)市東南角,屬山地地貌,沿線路里程K5+900 至K6+900。該區(qū)域地勢(shì)較為復(fù)雜,線路左側(cè)有塊一山地,相對(duì)高度約為150m。由于測(cè)區(qū)位于當(dāng)?shù)匾簧鐓^(qū)處,范圍內(nèi)存在多處農(nóng)田、民房及果園等。根據(jù)工程實(shí)際要求,需對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)地形地貌、民房建筑面積及鄉(xiāng)間公路位置等多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)圖精度要求為1：2000。

3.3 測(cè)區(qū)航線規(guī)劃

（1）無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃要滿足以下要求：①航線規(guī)劃須按照略高于地形圖所需的分辨率進(jìn)行設(shè)計(jì)。②航線須完整覆蓋整個(gè)航拍區(qū)域,并適當(dāng)進(jìn)行外擴(kuò)。③參照無(wú)人機(jī)續(xù)航速度、巡航時(shí)間及遙控信號(hào)是否存在遮擋等參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃飛行航線。④航線規(guī)劃前需對(duì)當(dāng)?shù)亟w區(qū)及限飛區(qū)域進(jìn)行查詢,如需在此區(qū)域內(nèi)航測(cè),須提前向當(dāng)?shù)卣暾?qǐng)進(jìn)行解禁。（2）通過對(duì)瓜蘭達(dá)公路測(cè)區(qū)實(shí)地踏勘,決定將無(wú)人機(jī)起飛點(diǎn)設(shè)置于測(cè)區(qū)東北山坡之上,以確保整個(gè)測(cè)區(qū)遙控信號(hào)沒有遮擋,航線采用3D“井”字型航線。根據(jù)地形圖精度要求,地面分辨率為5cm,航高計(jì)算公式如下：

式中：

h- 飛行高度；

f- 鏡頭焦距（大疆精靈4pro 鏡頭焦距為8.8mm）；

a- 像元尺寸（大疆精靈4pro 像元尺寸為2..41228μm）；

GDS- 地面分辨率（5cm）。

按照上式計(jì)算,當(dāng)?shù)孛娣直媛蕿?cm 時(shí),無(wú)人機(jī)相對(duì)行高為182m,當(dāng)相對(duì)行高120m 時(shí),獲得的影像照片GDS 約為3.3cm。綜合考慮瓜蘭達(dá)公路無(wú)人機(jī)航測(cè)相對(duì)高度取150m。航向重疊率為80%,旁向重疊率為65%,飛行架次劃分為4 次。

3.4 像控點(diǎn)布測(cè)

3.4.1 像控點(diǎn)布設(shè)原則

（1）像控點(diǎn)布設(shè)要在整個(gè)測(cè)區(qū)均勻分布,選點(diǎn)要盡量選擇固定、平整、清晰易識(shí)別、無(wú)陰影、無(wú)遮擋的區(qū)域。（2）可以利用斑馬線直角點(diǎn)、地面直角點(diǎn)；設(shè)置后注意及時(shí)拍照標(biāo)記。（3）像控點(diǎn)標(biāo)志可做成“L”型或“十”,為提高精度,當(dāng)布置成“十”字型時(shí),應(yīng)在“十”字中心噴涂直徑為5cm 的圓點(diǎn),當(dāng)布置成“L”字型時(shí),應(yīng)統(tǒng)一測(cè)內(nèi)角或者外角,如圖2 所示。（4）針對(duì)帶狀測(cè)區(qū),布點(diǎn)需要在帶狀的左右側(cè)布點(diǎn),按照“S”字型路線布點(diǎn)。

3.4.2 像控點(diǎn)預(yù)設(shè)

為提高航測(cè)效率,可在外出作業(yè)之前,預(yù)設(shè)擬布像控點(diǎn)位置。首先對(duì)前期收集測(cè)區(qū)相關(guān)的現(xiàn)有地形圖、影像資料及測(cè)區(qū)范圍等資料進(jìn)行核查,做出像控點(diǎn)布置計(jì)劃。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘時(shí),了解測(cè)區(qū)地形情況,從而對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)位置進(jìn)行調(diào)整確認(rèn)。同時(shí)可將像控點(diǎn)布置位置制成KLM文件,通過谷歌地圖或奧維地圖等,可快速找到像控點(diǎn)預(yù)設(shè)位置,從而提高布點(diǎn)工效。

3.4.3 布測(cè)像控點(diǎn)

瓜蘭達(dá)公路項(xiàng)目航測(cè)區(qū)位于山地區(qū)域,考慮地形圖精度要求,像控點(diǎn)布置間距為200m,形狀為“L”型標(biāo)志,采用噴繪進(jìn)行布置,布設(shè)完成后及時(shí)使用RTK 測(cè)量像控點(diǎn)地理信息,本項(xiàng)目測(cè)區(qū)像控點(diǎn)詳細(xì)布置位置如圖2 所示。

圖2 像控點(diǎn)布置圖

3.5 無(wú)人機(jī)飛行拍攝

無(wú)人機(jī)航測(cè)宜選擇晴天,不宜在太陽(yáng)猛烈的天氣拍攝,強(qiáng)烈的陽(yáng)光會(huì)導(dǎo)致建筑墻面曝光過度,也不宜在陰天拍攝,陰天光線較弱,會(huì)導(dǎo)致曝光不足。在無(wú)風(fēng)多云的天氣,天空較亮,光線漫反射,此時(shí)拍攝效果最佳。起飛場(chǎng)地宜選擇平坦的空地或者寬闊的道路,周圍無(wú)高壓線、高層建筑、及信號(hào)塔等。本工程無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)為大疆PHANTOM 4PRO 一體式遙控器,通過地面控制系統(tǒng),無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃完成的航線進(jìn)行作業(yè)。瓜蘭達(dá)公路測(cè)區(qū)共計(jì)拍攝照片4500 多張,航測(cè)完成后及時(shí)檢查整理拍攝照片、像控點(diǎn)測(cè)量成果、pos 數(shù)據(jù)及GNS 坐標(biāo)等數(shù)據(jù)文件,經(jīng)過整理的外業(yè)數(shù)據(jù)分門別類進(jìn)行統(tǒng)一存放,歸檔保存。

3.6 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

圖3 無(wú)人機(jī)航測(cè)內(nèi)業(yè)處理流程圖

（1）本工程采用ContextCapture 軟件對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將航拍照片及POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture 軟件進(jìn)行空三加密,通過導(dǎo)入光學(xué)參數(shù)對(duì)鏡頭畸變進(jìn)行修正,通過控制點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn),每個(gè)相控點(diǎn)至少要刺兩張照片。采用DP-Modeler 進(jìn)行三維測(cè)圖生成DLG 成果?；玖鞒倘鐖D3 所示。（2）空三計(jì)算過程的注意事項(xiàng)。空三加密是三維建模的關(guān)鍵步驟,是重中之重的環(huán)節(jié),同樣也是最容易出問題的環(huán)節(jié)。在內(nèi)業(yè)處理過程中,經(jīng)常出現(xiàn)空三運(yùn)算不通過以及出現(xiàn)卷曲或斷裂現(xiàn)象,為避免以上情形發(fā)生,須注意以下幾個(gè)事項(xiàng)：①空三計(jì)算之前,須導(dǎo)入相機(jī)出廠畸變參數(shù),從而對(duì)照片進(jìn)行修正。②對(duì)于較大區(qū)域的三維建模,建議進(jìn)行分區(qū)空三計(jì)算,可大大增加空三成果率。③如果ContextCapture 效果不佳,可考慮采用Photoscan 進(jìn)行空三計(jì)算。

4 航測(cè)成果及誤差分析

4.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)成果

通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后,瓜蘭達(dá)公路航測(cè)區(qū)域快速獲得測(cè)量成果,包括TDOM（真正射影像圖）、實(shí)景三維模型及DLG（數(shù)字劃線圖）等。

圖4 瓜蘭達(dá)公路航測(cè)區(qū)域TDOM（真正射影像圖）

圖5 瓜蘭達(dá)公路航測(cè)區(qū)域DLG（部分）

4.2 航測(cè)成果精度分析

測(cè)區(qū)共布置30 個(gè)檢查點(diǎn),經(jīng)過分析,80.6%的檢查點(diǎn)高程絕對(duì)誤差小于5.5cm,其中最大高程誤差為9.3cm,最小高程誤差為0.8cm,86.1%的檢查點(diǎn)平面位置誤差小于9.5cm,最大平面位置誤差為11.6cm,最小平面位置誤差為4.7cm。根據(jù)我國(guó)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》要求,1:2000 地形圖平面位置誤差不大于1.2m,高程誤差不大于1.0m。瓜蘭達(dá)公路無(wú)人機(jī)航測(cè)檢查點(diǎn)平高誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足國(guó)家規(guī)范的精度要求。

5 結(jié)論

厄瓜多爾瓜蘭達(dá)公路無(wú)人機(jī)航測(cè)的應(yīng)用是在海外公路勘測(cè)方向的一次新探索,通過應(yīng)用我國(guó)先進(jìn)測(cè)量技術(shù),極大節(jié)省了厄瓜多爾瓜蘭達(dá)公路勘測(cè)的人力物力,明顯提高了勘測(cè)效率,有力推動(dòng)了我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)走向海外,也為海外類似工程提供了有效參考。