無(wú)人機(jī)航測(cè)在高速公路橫斷面測(cè)量中的應(yīng)用

連浩東

（中繪云圖信息科技有限公司，福建福州361000）

0 引言

無(wú)人機(jī)具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的提升，無(wú)人機(jī)可以攜帶比較大的載荷，完成復(fù)雜的航測(cè)工作。在高速公路橫斷面測(cè)量中，由于自然環(huán)境、測(cè)量成本、技術(shù)條件的限制，使用全站儀等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對(duì)效率和精度的要求，所以需要使用無(wú)人機(jī)航測(cè)，提升高速公路橫斷面測(cè)量的整體效率和質(zhì)量。

1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)概述

低空攝影平臺(tái)能滿足快速獲取高精度穩(wěn)定數(shù)據(jù)的需要。平臺(tái)的穩(wěn)定性影響效果，并影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。無(wú)人機(jī)平臺(tái)的靈活性和敏感性更強(qiáng)，尤其在低空，能在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量工作。目前常見(jiàn)的低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)包括固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、復(fù)合式無(wú)人機(jī)等等。

1.1 固定翼無(wú)人機(jī)

固定翼無(wú)人機(jī)和傳統(tǒng)的飛機(jī)構(gòu)型相似，是最早出現(xiàn)和研發(fā)的，最簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，在民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。固定翼無(wú)人機(jī)可以使用彈射架發(fā)射、手拋起飛、滑跑起飛等起飛方式，巡航時(shí)間在45min～3h。有些固定翼無(wú)人機(jī)自帶拍攝裝置，也可以根據(jù)需要進(jìn)行改造，改裝成專用的測(cè)量裝置，滿足測(cè)量工作的需求。

1.2 多旋翼無(wú)人機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)使用多個(gè)旋翼為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力和調(diào)整無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，調(diào)整方式主要為調(diào)整旋翼的轉(zhuǎn)速，以及根據(jù)需要調(diào)整旋翼角度。多旋翼無(wú)人機(jī)由于有多個(gè)旋翼提供升力，所以槳葉可以設(shè)計(jì)得更小。和傳統(tǒng)的單旋翼無(wú)人機(jī)相比，取消尾槳讓多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且使用對(duì)稱式布局使節(jié)能性更高，所以多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。多旋翼無(wú)人機(jī)被大量使用的關(guān)鍵因素在于，近年來(lái)算法技術(shù)的快速發(fā)展，可以使用多種算法滿足多旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制需求，自主控制也得到了充分優(yōu)化。目前多旋翼無(wú)人機(jī)可以靈活地完成反轉(zhuǎn)、避障、目標(biāo)識(shí)別和著陸。在飛行中，可以根據(jù)周圍氣流狀況調(diào)整姿態(tài)，所以控制的穩(wěn)定性很強(qiáng)。另一方面，多旋翼無(wú)人機(jī)還具有非常強(qiáng)的定制性，可以進(jìn)行定制，以滿足各種環(huán)境下的航拍需求。

1.3 復(fù)合式無(wú)人機(jī)

復(fù)合式無(wú)人機(jī)融合了上述兩種無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)，使其具備更強(qiáng)的巡航功能，也能滿足起降、懸停等需要，具有靈活性和航程遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。目前復(fù)合式無(wú)人機(jī)普遍采用固定翼無(wú)人機(jī)和四旋翼無(wú)人機(jī)復(fù)合的布局方式，能控制無(wú)人機(jī)的垂直起降，并且兼顧速度快、航程長(zhǎng)、距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。

2 高速公路橫斷面測(cè)量對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)的需求分析

高速公路橫斷面測(cè)量工作可以使用全站儀、GNSS等數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)。但是如果測(cè)量區(qū)域的面積比較大，地形比較復(fù)雜，全站儀等技術(shù)存在靈活性不足，測(cè)量效率低的問(wèn)題[1]。在測(cè)量地形時(shí)，測(cè)量人員需要對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)展開(kāi)測(cè)量，如果地形復(fù)雜，很容易遺漏重要的碎部點(diǎn)。全站儀還會(huì)受到通視條件的影響，需要頻繁更換測(cè)站，導(dǎo)致測(cè)量精度不能滿足應(yīng)用要求。另外，使用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)將會(huì)消耗大量的人工成本，也需要投入大量的物力，增加管理的壓力，測(cè)量的整體性和時(shí)效性也很難滿足要求。所以，需要一種高機(jī)動(dòng)性、低成本、高時(shí)效性的測(cè)量技術(shù)，滿足高速公路橫斷面測(cè)量的需求，無(wú)人機(jī)就可以較好地滿足上述需要。無(wú)人機(jī)最初在救災(zāi)搶險(xiǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，之后在民用市場(chǎng)中也發(fā)揮了巨大的作用。技術(shù)水平的提升使無(wú)人機(jī)的制造成本開(kāi)始下降，消費(fèi)級(jí)的無(wú)人機(jī)市場(chǎng)隨之開(kāi)啟。在高速公路橫斷面測(cè)量中，最初只是利用無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載相機(jī)手動(dòng)進(jìn)行重疊影像拍攝，所獲得的圖像數(shù)據(jù)，并沒(méi)有定位系統(tǒng)的支持，航拍系統(tǒng)也沒(méi)有足夠的整合性，所以拍攝的空間位置精度不夠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)引入了RTK 定位系統(tǒng)，相機(jī)技術(shù)也能滿足微秒級(jí)同步的需要。為了優(yōu)化使用需求，無(wú)人機(jī)專門設(shè)計(jì)了應(yīng)用可以滿足航線規(guī)劃工作的要求，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的導(dǎo)航定位，定位系統(tǒng)也能和成像系統(tǒng)結(jié)合，從而提升了航測(cè)的效率和精度，并降低了作業(yè)難度，有效控制了作業(yè)成本。目前無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以使用在大比例尺的地形圖測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量、房地一體化測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

3.1 飛行平臺(tái)

飛行平臺(tái)是無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的主體部分，平臺(tái)包括機(jī)體、動(dòng)力裝置、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航裝置、電池等等。目前，可以根據(jù)需要選擇無(wú)人機(jī)類型，靈活滿足測(cè)量工作的需要。飛行數(shù)據(jù)終端安裝在飛行器上，屬于無(wú)人機(jī)的組成部分，也屬于數(shù)據(jù)鏈路的機(jī)載部分。

3.2 地面控制站

在無(wú)人機(jī)測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)地面控制站控制無(wú)人機(jī)，可以傳遞無(wú)人機(jī)的遙控?cái)?shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)向下傳輸?shù)膱D像，并且能顯示遙測(cè)數(shù)據(jù)。地面控制系統(tǒng)能進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和分配，也能接收無(wú)人機(jī)發(fā)出的實(shí)時(shí)信號(hào)，具備信息處理、圖像處理的功能[2]。

3.3 任務(wù)載荷

任務(wù)載荷是無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的模塊，無(wú)人機(jī)平臺(tái)的作用在于攜帶任務(wù)載荷，與任務(wù)載荷配合完成測(cè)量工作。任務(wù)載荷通常包括雷達(dá)、專業(yè)照相機(jī)、攝像機(jī)等等，目前一些機(jī)載激光定位設(shè)備也應(yīng)用在了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，還可以裝載可進(jìn)行氣象化學(xué)探測(cè)的傳感器。

3.4 數(shù)據(jù)鏈路

無(wú)人機(jī)需要和控制站保持通信，向控制站實(shí)時(shí)發(fā)送無(wú)人機(jī)的位置數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)，控制站要向無(wú)人機(jī)發(fā)出控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路的硬件包括地面數(shù)據(jù)終端和空中數(shù)據(jù)終端兩大部分，地面數(shù)據(jù)控制終端由天線構(gòu)成，能夠發(fā)出發(fā)射飛行器和接收飛行器的信號(hào)，也能以衛(wèi)星作為中繼。

3.5 發(fā)射和回收裝置

很多無(wú)人機(jī)都是通過(guò)彈射起飛，采用車載發(fā)射、滑跑起飛、垂直起飛等方式，可以根據(jù)當(dāng)?shù)貭顩r選擇發(fā)射方式。在回收時(shí)，可以采取網(wǎng)式回收、傘降回收、滑跑著陸等方式。在航測(cè)工作開(kāi)始之前，應(yīng)該根據(jù)無(wú)人機(jī)的收放方式，準(zhǔn)備相應(yīng)的發(fā)射和回收設(shè)備，保證測(cè)量工作能順利進(jìn)行。

4 旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)的工作流程

使用旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)的工作，可以發(fā)揮無(wú)人機(jī)操作方便、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，并且在小范圍的高速公路橫斷面測(cè)量中非常靈活。在常用的RTK 模式下，進(jìn)行測(cè)區(qū)的正射影像測(cè)量時(shí)，工作流程包括航測(cè)準(zhǔn)備、航線規(guī)劃、相機(jī)參數(shù)設(shè)置、航拍作業(yè)和影像處理。

4.1 航測(cè)準(zhǔn)備

航測(cè)準(zhǔn)備工作是在到達(dá)測(cè)區(qū)開(kāi)展航測(cè)之前的前期準(zhǔn)備工作，需要準(zhǔn)備飛行器、測(cè)區(qū)KML 文件，并布置像控點(diǎn)。在飛行器準(zhǔn)備過(guò)程中，需要配備足夠數(shù)量的電池，滿足測(cè)量工作的能源需求。正常每塊電池可以維持正常飛行18～24min，充電50min，測(cè)區(qū)的狀況、面積、形狀、飛行器的飛行高度、測(cè)量過(guò)程中的重疊率、測(cè)量中的環(huán)境溫度也會(huì)影響耗電速度。對(duì)于測(cè)區(qū)要提前進(jìn)行準(zhǔn)備，可以使用相關(guān)地圖軟件做測(cè)區(qū)的地標(biāo)KML 文件，導(dǎo)入遙控器中。需要在測(cè)量工作開(kāi)始之前確定像控點(diǎn)，提高航測(cè)成圖的精度，通過(guò)合理布置像控點(diǎn)，滿足對(duì)坐標(biāo)控制的需求。

4.2 航線規(guī)劃

合理的航線規(guī)劃能提升測(cè)量工作的效率。在該項(xiàng)工作中，需要連接周圍移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置合適的飛行行為、確定RTK 定位模式。針對(duì)測(cè)量模式，要設(shè)計(jì)合適的飛行高度和速度，并且根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r設(shè)置影像重疊的情況。在航線規(guī)劃的工作中，首先需要保證飛行器遙控器和網(wǎng)絡(luò)保持連接，可以在遙控器上安裝SIM 卡，連接4G/5G 網(wǎng)絡(luò)。之后，使用RTK 賬號(hào)登錄服務(wù)器，保證無(wú)人機(jī)獲得RTK 固定解。如果測(cè)區(qū)只進(jìn)行正射數(shù)據(jù)影像采集，就可以使用2D 的航線規(guī)劃方式，節(jié)省航拍時(shí)間；如果進(jìn)行3D 影像采集，需要針對(duì)當(dāng)?shù)氐牡匦翁厥庖?guī)劃航線。航線必須保持安全飛行高度，比如要避免與測(cè)區(qū)內(nèi)的最高地物碰撞，避讓電線等等，所以要保證飛行高度高于當(dāng)?shù)刈罡叩匚铩?/p>

4.3 相機(jī)參數(shù)設(shè)置

相機(jī)參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置照片比例、白平衡、云臺(tái)角度、光圈、ISO、快門、補(bǔ)光等等，合理的相機(jī)參數(shù)能獲得更為清晰的航拍圖片，可以按照默認(rèn)設(shè)定設(shè)置，但是也要考慮當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r、光照、環(huán)境顏色，以及根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行高度進(jìn)行調(diào)整。在拍攝正射影像時(shí)，可以選擇-90o的云臺(tái)角度，而為了提升建圖的精度效果，可以關(guān)閉相機(jī)的修正畸變功能。

4.4 航拍作業(yè)

航拍作業(yè)是航拍工作的實(shí)施階段，目前多數(shù)無(wú)人機(jī)都能自動(dòng)完成航拍工作。但是在航拍過(guò)程中仍需要有人員監(jiān)視整個(gè)航拍過(guò)程，如果發(fā)現(xiàn)航拍中出現(xiàn)錯(cuò)誤，就需要及時(shí)進(jìn)行修正。

4.5 影像處理

在完成航測(cè)任務(wù)后，獲得的影像并不能直接使用，而是需要將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中繼續(xù)處理。照片中包含了相機(jī)的參數(shù)信息，可以在記事本中獲得參數(shù)，了解拍攝當(dāng)時(shí)相機(jī)的狀態(tài)；POS 信息是每張相片拍攝時(shí)所對(duì)應(yīng)的空間位置信息，需要保證POS 信息格式規(guī)范，和照片的名稱一致；在影像上標(biāo)記控制點(diǎn)之后，可以進(jìn)行初次空三解算，獲得控制點(diǎn)的位置；然后利用多個(gè)包含控制點(diǎn)的照片進(jìn)行控制點(diǎn)的精確標(biāo)記；在所有控制點(diǎn)標(biāo)記完成后，再進(jìn)行空三解算，修正過(guò)去的數(shù)值；最后進(jìn)行影像的拼接工作，建立坐標(biāo)系，生成測(cè)區(qū)的正射影像。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)相比傳統(tǒng)的工作方式具有比較大的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該做好航線的規(guī)劃工作，合理設(shè)置攝像系統(tǒng)的參數(shù)。在航測(cè)工作開(kāi)始之前必須做好準(zhǔn)備，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)航測(cè)在高速公路橫斷面測(cè)量中的作用。