無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在高速公路勘察中的應(yīng)用分析

楊師章

長(zhǎng)沙核工業(yè)工程勘察院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000

引言

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)是目前全球測(cè)繪領(lǐng)域新興的一門技術(shù)手段，其原理是將多個(gè)傳感器搭載在同一架飛行平臺(tái)上，對(duì)地物從多個(gè)角度進(jìn)行拍攝，獲取到更全面和完整的地物信息。無(wú)人機(jī)航測(cè)中的三維數(shù)據(jù)可以真實(shí)地反映地物的具體位置、高度和外觀情況等屬性，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量手段的不足。

1 高速公路勘察技術(shù)發(fā)展概述

公路是基本的交通要素之一，公路網(wǎng)絡(luò)是其他交通方式的重要連接紐帶。依據(jù)《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013-2030年）》，國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃總規(guī)模40.1萬(wàn)km，其中國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)模11.8萬(wàn)km，由7條首都放射線、11條北南縱線、18條東西橫線及地區(qū)環(huán)線、并行線、聯(lián)絡(luò)線等組成，并另規(guī)劃遠(yuǎn)期展望線約1.8萬(wàn)km。我國(guó)公路建設(shè)任務(wù)仍十分繁重，新建高等級(jí)公路重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移至地形地質(zhì)條件復(fù)雜的中西部地區(qū)。這些地方地形地貌條件惡劣，植被往往十分茂盛，如何快速高效地獲取公路工程所需的高精度空間信息，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。

傳統(tǒng)的高速公路勘察主要采用航空攝影測(cè)量輔之以GPSRTK測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量的方式，這種方式由于外業(yè)工作量大、效率低、數(shù)據(jù)信息不完整等缺點(diǎn)，隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展，其具有高效率、高精度、低成本、不受地形條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在高速公路勘察領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用[2]。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)基本作業(yè)流程與應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程如下圖1所示，接收到航測(cè)任務(wù)后，首先根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行測(cè)區(qū)已有資料的收集，并制訂航飛方案，向空管部門申請(qǐng)航飛空域。無(wú)人機(jī)飛手作業(yè)前需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解測(cè)區(qū)實(shí)際情況后，進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)方案，進(jìn)行測(cè)區(qū)分區(qū)和航線設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)起飛前，需要進(jìn)行嚴(yán)格的飛前檢查后才可進(jìn)行起飛作業(yè)實(shí)施。航飛攝影結(jié)束后及時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。最后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和航測(cè)任務(wù)所需格式數(shù)據(jù)生產(chǎn)[3]。

圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程

2.2 應(yīng)用要點(diǎn)

2.2.1 資料收集。航測(cè)區(qū)域資料收集應(yīng)包括該區(qū)域已有各種比例尺地形圖、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)或影像資料，如需使用谷歌地圖等線上地圖，也應(yīng)提前下載。無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)人員需要做到充分了解飛行區(qū)域地物地貌，需要提前收集該地區(qū)氣象情況以及作業(yè)計(jì)劃日期的天氣預(yù)報(bào)情況，還需要檢查航測(cè)區(qū)域起降條件來(lái)提前選擇適合的飛行器，注意檢查附近特殊設(shè)施等情況，最后還需要研究測(cè)區(qū)是否有禁飛區(qū)域，如果有則提前和相關(guān)管理部門申請(qǐng)[4]。

2.2.2 作業(yè)實(shí)施。仔細(xì)檢查無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，保證無(wú)人機(jī)各功能能正常使用，各系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，如果需要人為協(xié)助無(wú)人機(jī)起飛，則安裝起飛裝置；無(wú)人機(jī)組裝好后，需再次進(jìn)行安全檢查，重點(diǎn)注意磁羅盤是否處于正確位置，以及檢查無(wú)人機(jī)陀螺儀是否正常工作。無(wú)人機(jī)檢驗(yàn)合格后，還需對(duì)任務(wù)載荷設(shè)備進(jìn)行檢查，需檢查相機(jī)內(nèi)存是否足夠，并提前進(jìn)行試拍，將相機(jī)焦距、曝光時(shí)間、亮度調(diào)整好之后裝入無(wú)人機(jī)。將無(wú)人機(jī)與地面站軟件進(jìn)行連接，啟動(dòng)地面站開(kāi)啟定位，依據(jù)航線設(shè)計(jì)設(shè)置飛行路線，并上傳至無(wú)人機(jī)。一切檢查合格后，起飛無(wú)人機(jī)，通過(guò)地面站軟件的監(jiān)視界面認(rèn)真觀察無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和現(xiàn)行位置是否正常，實(shí)時(shí)監(jiān)視剩余油量或電池電量。

2.2.3 飛后檢查。無(wú)人機(jī)飛行完畢后，作業(yè)人員回收飛行器并檢查無(wú)人機(jī)機(jī)體完好程度，查看無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，檢查飛行質(zhì)量是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如果圖像出現(xiàn)絕對(duì)和相對(duì)漏洞，需采用同一架次的任務(wù)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)測(cè)。影像質(zhì)量的檢查要求拍攝的影像必須要足夠清晰，具有豐富的層次、適中的圖像的反差、較柔和的色調(diào)。云、影、煙等缺陷不允許出現(xiàn)在影像當(dāng)中[5]。

4 實(shí)例分析無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在高速公路勘察中的應(yīng)用

4.1 工程概況

本項(xiàng)目全長(zhǎng)8.203km（均為新建），路幅寬度23m，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度60km/h。測(cè)區(qū)以山地地形為主，平均海拔為600m，河流橫穿測(cè)區(qū)，局部區(qū)域落差較大。測(cè)區(qū)植被茂盛，多為常綠闊葉林及低矮灌木。

4.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

4.2.1 設(shè)備選擇。本項(xiàng)目選用ARS-200系統(tǒng)旋翼無(wú)人機(jī)LiDAR三維激光掃描系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。該系統(tǒng)最大測(cè)量距離為330.00m，測(cè)距精度15mm，最大有效點(diǎn)頻10萬(wàn)點(diǎn)/s，位置精度平面0.01m，高程0.02m，俯仰、翻滾角標(biāo)稱測(cè)量精度為0.005°，航偏角為0.012°。公路勘測(cè)項(xiàng)目測(cè)區(qū)主要為帶狀地形，具有長(zhǎng)度長(zhǎng)，寬度窄的特點(diǎn)，因此只需要往返一條航帶即可完成。

圖2 ARS-200無(wú)人機(jī)LiDAR系統(tǒng)

4.2.2 航測(cè)參數(shù)。根據(jù)項(xiàng)目要求，需采集設(shè)計(jì)線位中線兩側(cè)各約100m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。航線規(guī)劃從高效、經(jīng)濟(jì)的原則出發(fā)，綜合考慮儀器設(shè)備的性能、地形、地勢(shì)、高差、攝區(qū)形狀、航高、航向重疊度、旁向重疊度、激光點(diǎn)云密度、GSD等因素，無(wú)人機(jī)LiDAR航測(cè)基本參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)LiDAR航測(cè)基本參數(shù)

4.2.3 航測(cè)實(shí)施。根據(jù)路線走向分為2個(gè)架次，每個(gè)架次約4～5km，架次之間保證一定的重疊，全線預(yù)設(shè)一個(gè)起飛場(chǎng)。當(dāng)相對(duì)航高為130.0m時(shí)，能保證航線下方最低處的點(diǎn)云密度優(yōu)于30個(gè)/m2，同時(shí)影像地面分辨率為0.1m，滿足項(xiàng)目的技術(shù)要求。地面基站采用雙站模式，采用海星達(dá)iRtk2雙頻接收機(jī)選擇測(cè)區(qū)附近兩個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)（四等平面/四等高程）架設(shè)地面基站，采樣間隔設(shè)置為1秒。

4.2.4 精度分析。為分析和評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī) LiDAR 激光點(diǎn)云的成果精度，項(xiàng)目全線布設(shè)了2430個(gè)高程檢查點(diǎn)，采用GPS-RTK方式測(cè)量其平面和高程坐標(biāo)。檢查點(diǎn)與激光點(diǎn)云吻合情況，見(jiàn)圖3，紅色為實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)，可發(fā)現(xiàn)激光點(diǎn)云與實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)吻合非常好。為了對(duì)激光點(diǎn)云精度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，利用2430個(gè)檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)通過(guò)激光點(diǎn)云內(nèi)插高程與實(shí)測(cè)高程進(jìn)行比較，最大高程誤差0.395m，最小高程誤差-0.388m，中誤差0.110m，誤差均值為-0.050m。

圖3 檢查點(diǎn)與激光點(diǎn)云吻合情況

將人工實(shí)測(cè)的482個(gè)橫斷面數(shù)據(jù)與激光數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。某實(shí)測(cè)橫斷面與激光點(diǎn)云的比對(duì)，見(jiàn)圖4。激光點(diǎn)云不僅與實(shí)測(cè)橫斷面吻合得非常好，而且激光點(diǎn)云可以穿透茂密的植被，對(duì)地形細(xì)節(jié)的表達(dá)更加精確，可以快速、高效地生成設(shè)計(jì)人員所需的橫斷面數(shù)據(jù)，用于路線方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

圖4 實(shí)測(cè)橫斷面與激光點(diǎn)云比對(duì)

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，勘察工作是高速公路工程建設(shè)的重要內(nèi)容之一，但是傳統(tǒng)方法存在成本高、效率低等問(wèn)題，無(wú)法滿足當(dāng)前高速公路建設(shè)實(shí)際需要，對(duì)此必須引進(jìn)新的勘察技術(shù)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)為高速公路工程勘察變革提供機(jī)遇，其不僅提高了勘察效率，滿足公路實(shí)際勘察需求要求，更是提升了勘察工作的智能化水平。目前無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在公路工程建設(shè)方面的運(yùn)用還不夠深入，還需進(jìn)一步加強(qiáng)軟硬件方面的研究，不斷提升續(xù)航能力與影像精度，為高速公路勘察水平的提升奠定基礎(chǔ)。