無人機航測技術在公路各設計階段中的應用研究★

相詩堯 姚守峰 陳婷婷 張 濤

(1.山東省交通規劃設計院，山東 濟南 250031； 2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031)

0 引言

隨著無人機飛控技術、GPS定位技術的發展以及制造工藝的改進，使得無人機的飛行性能、操控方式、續航時間等得到了極大的提高，同時制造成本也逐漸減低，進而使無人機應用更加廣泛[1]。公路設計離不開現場數據的支持，設計方案應適應現場環境，這樣才能保證方案的合理性和有效性[2]。通過在無人機上掛載各類數據獲取設備，能夠獲得多種類型的航測數據[3,4]，可為公路設計提供數據支撐，并進一步達到提高設計質量和設計效率的目的。本文將全面闡述無人機航測技術在公路各設計階段中的應用。

1 無人機航測數據種類及獲取方法

1.1 航拍視頻數據

通過無人機拍攝的視頻數據，可以清晰、直觀地展現公路設計范圍內的地形地勢條件、人文環境要素、農田土地類型、建筑種類信息等等，實現對現場環境的快速辨識。

對于視頻數據的獲取，需要通過多旋翼無人機搭載云臺相機完成，分為手控航拍和自主航拍兩種方式。對于重要的規劃設計區域，例如互通樞紐立交、大跨徑橋梁等區域可以采用多視角、不同高度的手控航拍方式，對于整條設計公路而言，可將設計路線轉化為無人機的飛行航線，通過地面站控制，實現自主飛行，完成航拍。

1.2 正射影像數據

正射影像數據是由無人機搭載相機在空中垂直拍攝多幅高重疊度的航片，通過空三加密、DSM構建、鑲嵌勻光等技術方法生成的真正射影像數據[5]。通過正射影像可以實現對地面植被、水系、公路、建筑物等的判別和辨識，具有數據精度高、影像清晰的優勢。

對于公路設計領域正射影像的獲取，多采用固定翼無人機掛載高清相機完成外業數據采集。為保證獲取航片的位置精度，需要沿設計路線布設大量的像控點，并在無人機上安裝RTK或者PPK系統，實現將正射影像投射到真實的大地坐標中，以此為依托展開公路設計。整個飛行過程由地面站控制，拍攝的航片采用Pix4Dmapper，PhotoScan等軟件進行處理。

1.3 機載激光點云數據

機載激光點云數據是在多旋翼無人機上掛載激光雷達以及定位定姿系統獲取的記錄地物空間三維坐標信息的三維點數據。通過數據處理可以實現點云分類，并實現地表特征提取，利用多次回波技術，可獲得剔除植被、人工建筑之后的地面點，進而可以構建更加準確的數字高程模型(DEM)，為方案設計、挖填方計算等提供準確的數據支持。該技術手段具有數據精度高、受天氣影響小、自動化程度高的特點。

1.4 三維實景模型數據

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

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

2 無人機航測數據在各設計階段的典型應用

2.1 無人機航測在工程可行性研究階段的應用

在工程可行性研究階段，了解現場環境對于路線規劃設計至關重要，需要進行外業調查并獲知現場狀況，以驗證設計路線的合理性。在外業調查中，可采用多旋翼無人機輔助調查工作的展開，對于重要區域以及難以到達的地形復雜地區，可通過手控航拍方式記錄現場環境。同時，也可以將設計路線轉化為無人機的飛行航線，通過地面站設置飛行參數，實現超視距飛行，獲取設計公路沿線的視頻數據。對于工程可行性研究階段而言，通過無人機拍攝的視頻資料具有獲取速度快、成本低、現勢性強的優勢，并可減少外業調查人員數量，達到節省人力的目的。由于是在空中俯拍整個工程現場，能夠清晰地展示現場環境，并實現對現場的記錄，便于方案的優化設計。圖1為通過多旋翼無人機拍攝的某高速公路改擴建設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建公路兩側的廠房、建筑物等情況，能為方案設計提供直觀的數據資料。圖2為某高速公路新建路段設計項目工程可行性研究階段的航拍視頻資料，該視頻是由無人機自主飛行拍攝的視頻數據，通過該視頻可進行公路建設的拆遷量統計以及公路設計路線的合理性驗證。

2.2 無人機航測在初步設計和施工圖設計中的應用

在初步設計和施工圖設計階段，多采用1∶ 2 000地形圖數據以及人工定測方式。利用無人機航測技術獲取的正射影像數據能夠顯示真實的地物信息，比如房屋種類、植被類型、水系環境等情況，可輔助公路平面線形設計以及重要結構設計。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、高密度的機載激光點云數據構建精確的數字高程模型，可進一步輔助完成道路縱斷面、橫斷面設計以及道路平面線形優化。圖4為某高速公路新建段設計項目中，通過機載激光點云構建的數字高程模型與正射影像的疊加顯示效果圖，可為公路設計提供真實的三維地形地貌。

通過無人機傾斜攝影技術獲取的三維實景模型實現了對現場環境真實還原，并提供地物高精度的空間位置信息以及逼真的表面和側面紋理。對高填深挖路段、重要橋梁設計路段、隧道出入口等重點區域進行無人機傾斜攝影三維實景建模，可查看設計方案與周邊環境的匹配、融合程度，實現精準設計。同時，利用三維實景模型能夠快速完成體積計算，實現輔助土石方計量。圖5為高速公路改擴建項目高邊坡區域的三維實景模型。

2.3 無人機航測在BIM設計中的應用

目前，BIM技術已經逐漸在公路設計中展開應用，利用無人機航測技術能夠為BIM設計提供完備的基礎數據支持[7]。利用獲取的正射影像數據和激光點云數據，構建精準的三維地形地貌，以此為基礎，可以開展方案設計和方案比選等工作。對于市區道路設計、重要橋梁、隧道設計可采用無人機傾斜攝影技術獲取三維實景模型完成BIM三維設計。圖6為融合了正射影像數據、機載激光點云數據、傾斜攝影三維實景模型數據的BIM三維設計成果。

3 結語

無人機航測技術已經逐步應用于公路設計的各個階段，所獲取數據具有精度高、紋理清晰、直觀形象的優勢，能夠實現減少外業調查人員數量、提高設計效率和設計質量的目的。在今后的研究和實際應用中，應當深入挖掘無人機航測數據的應用價值并開展多方面應用。