淺談無人機攝影測量在高邊坡測量中的應用

孔德抗

中鐵十六局集團第一工程有限公司

1 引言

無人機技術用于地理信息測量，可以利用其搭載的攝像頭在高空實現大角度、立體化的拍攝，自動化程度較高，獲得的信息全面而又準確，因此在公路測繪、全景圖像生成等方面有廣泛的應用。無人機航拍技術拍攝出來的地面景象不容易失真，并且能夠對這些原始景象數據信息進行處理，獲得理想的顯示效果，便于人眼識別，便于直接使用。因此，帶來了很好的用戶體驗，具有很高的科研以及商業應用價值。

2 概述

柳州市蓮花大道工程主線道路全長5370.301m，包含11 處多級不規則高邊坡。傳統上，對于高邊坡的測量，一般采用人工操作全站儀、GPS儀的方式進行，本次采用無人機航拍航測的技術實現全景式測量，收到了良好的效果。

之前采用傳統人工方法進行測量時，一般需要用十幾個小時的時間才能完成一處高邊坡的測量工作，現在采用無人機航測方法之后，基本上原來十幾個小時的工作量幾分鐘之內就能完成，大大提高了工作效率。同時，無人機航測技術拍攝出來的效果很好，尤其是對于邊坡呈不規則形狀的地方，實現了高精度測量，測量的數據更有權威性。

3 無人機航測技術

3.1 航拍特點

無人機航測技術是在傳統航測航拍技術基礎上發展起來的，主要是利用了無人機的高空無障礙飛行、搭載的攝像頭可以全方位工作等優勢，可以實現機動靈活基礎上的高效拍攝，尤其是對于人跡難以到達的區域更是具有無可替代的優勢。無人機航拍出來的圖像很清晰，可以采用不同的比例標準進行顯示，經常用在小面積區域（如各種道路、橋梁、海岸線等）的攝影測量過程中。

3.2 航拍攝影測量原理

無人機航拍就是將特定用途的攝像頭搭載在無人機上，通過操縱搖桿對地面掃描獲取各種影像數據。這種技術的具體操作方法是：用遙控器控制飛機，通過規劃的航線來回飛行獲取坡體數據；然后對采集到的數據進行計算和分析，用各種數學算法建立幾何模型，并進行顯示，同時也可以基于這些數據進行特定用途的分析。

3.3 航拍準備

（1）觀察。每當要拍攝一個不熟悉的地點時，打開衛星地圖軟件，讓自己對這個地點有個清晰的概念和認知。利用衛星地圖軟件可以對要航拍的區域有一個大體的了解，識別出各種建筑物、停車場、道路、橋梁等，提前確定好航拍區域的整體概況，有利于選擇具體的航拍位置和角度。在這個基礎上，還可以提前選定標致性的建筑物，便于對航拍區域進行定位和標注。同時，要基于這些信息制定航拍計劃，對航拍作業有一個整體的規劃，從而確保航拍效果達到預期。

（2）選擇起飛點。一般，起飛點選擇在視野開闊的區域，這樣有利于操作手的操作，同時也有利于各種遙控信號、圖像數據的傳輸。選擇起飛點時，還要考慮到航拍畫面起幅或落幅處是否有合適的前景，這也可以作為選擇的一項參考。

（3）航線規劃。進行航線選擇時，首先需要確保安全，確保無人機在該航線上不會遇到特殊的氣流、人為攻擊等；其次要確保航拍的效果，要確保拍攝角度比較好，并且拍攝出來的圖像符合要求，具有較高的辨識度；第三要確保沒有大的障礙，尤其是影響到遙控信號、數據傳輸信號傳輸的障礙，確保信號能夠順利傳輸；最后要盡量選擇比較短而又拍攝角度比較廣的航線，盡可能地降低成本。

3.4 像控點的選擇

像控點的選擇直接影響到成圖的數學精度，如果選擇位置不當，其結果不僅影響內業成圖的質量，而且將會對實地觀測作業與內業成圖工作造成一定困難。無論是平面點、高程點或平高點均要選擇在明顯目標點上，明顯目標點是影像位置可以明確辨認的點。一般地區較理想的明顯目標是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點和地物拐角上，特別是固定的田角和道路交叉經常作為優先選點的理想目標。

3.5 航線規劃

為了使航線規劃更準確，使用Altizure 軟件進行航線規劃，規劃完成后自動執行任務飛行。具體步驟為：（1）無人機飛行前，進入APP新建任務。（2）框定目標區域。（3）設置相關參數、保存任務（一般情況下，重疊度設置為80%，相機傾斜角為45°）。（4）開始任務、上傳任務。（5）上傳任務成功，開始飛行，飛往第一條航線起點，開始第一線路飛行，自動拍照啟動，第一條線路飛行完畢，繼續任務，到達第2條任務路線起點，隨后繼續開始飛行，重復以上操作，直到飛完所有線路（5條），任務完成，自動返航。需要注意的是，飛行前確保周圍環境安全，只能規劃矩形飛行區域。

3.6 軟件制作三維模型

利用Pix4Dmapper將無人機拍攝影像快速制作成專業的、精確的二維地圖和三維模型。在建模過程中，加入控制點可提高生成模型的精度。通常控制點選取占照片比例的6%左右，在高程變化大的區域更多的控制點可提高高程精度。在圖像上刺出控制點，控制點不要做在太靠近測區邊緣的位置。

4 實用案例

蓮花大道項目高邊坡航測。高邊坡位于蓮花大道YK4+938～YK5+026m段右側，總長約90m，該邊坡按三級放坡開挖，坡高在16.1m～36.6m 之間，放坡坡率在1：0.72～1：0.80 之間；該邊坡為巖土質高邊坡，地處柳東碎屑巖山區，巖性雜亂，多種巖性共存，淺表覆蓋少量殘坡積土體，該邊坡穩定性較差，高邊坡開挖后及時施做錨索框架梁，由于雨季的大量沖刷，使邊坡左側部分土體發生滑移變形現象。利用航測技術及時測出邊坡變形情況，并加固了坡腳，及時進行了處理。航測過程如下：（1）首先進行航線規劃、生成數字表面模型（DSM）。（2）生成點云三維模型。（3）加密點云三維模型。（4）基于加密點云數據生成邊坡三維模型。

5 航測過程遇到的問題及解決方法

5.1 建模效果模糊度過高

原因分析：①無人機拍攝過程出現姿態的失穩。②基于本次大疆精靈4設備的地面站軟件設置問題。解決辦法：①選擇適合飛行的天氣，避免光照強度過高的時間段以及大風天氣。②地面站軟件的設置中，有一項是關于拍攝時間間隔的設置，時間間隔設置大的話，會出現無人機懸停，保證重合度的情況下，有時間穩定姿態。

5.2 內業處理區域大小的選擇

原因分析：區域選擇不合理，導致部分數據不參與計算。丟失數據解決辦法：通過量測此區域的距離，可以看出出現丟失數據的開始到最后，距離為79.67m。后續在區域選擇的時候，建議至少將選擇區域選擇比成果范圍大80m（基于45 度角的傾斜攝影標準）。

5.3 生成格式的選取與劃分區塊的選擇

選取適合自己需要的格式：①OSGB 是通用模型格式，但是Smart3D里邊劃分區塊進行處理的，最后的成果不會包含索引文件，導致無法在3D Viewer 全部顯示。建議OSGB 的格式不要劃分區塊，但是對電腦配置要求很高，主要是內存。②S3C的格式為軟件自己的格式，能夠很好的兼容軟件，并且展示出成果。其他格式根據需要自己設定。

5.4 部分區塊處理失敗

解決辦法：右擊失敗的區塊，重新提交任務就好。如果遇見處理失敗的情況，建議不要著急重新提交，等整個數據處理完畢，然后再重新提交處理失敗的任務。因為本次使用的教學版軟件，無法保證軟件的穩定性，著急處理失敗的區塊容易導致后續任務全部處理失敗，并且無法繼續處理下去。

5.5 航線規劃以及去除冗余航線，減少影像數據量

在拍攝的時候，遇到規則的建筑群，合理的規劃航線，使無人機成45°角從建筑的斜角進行拍攝，能夠省去俯拍的數據，采取合理的角度，不僅能夠減少數據量，還能使拍攝相片更清晰，增加建模精度，減少建模時間。采取無人機調查拍攝區域，選擇合理的角度進行傾斜攝影，減少模型變形量。

6 結束語

無人機攝影測量技術以無人機為飛行平臺，以數字傳感器為任務載荷，以獲取高分辨率遙感影像為目標，其信息獲取準確、及時，能夠通過機上搭載的高分辨率數碼相機獲取區域影像，提供實時、清晰、直觀、準確、可靠的影像信息，有效地提高資料時效性、針對性、準確性和科學性。無人機航測技術是目前為止成本較為低廉、測量迅速、測量準確的一種測繪手段，在公路崩滑陡峭地段測量的應用前景十分廣闊，可取得良好的效益。不僅能夠彌補傳統測繪手段的不足，還能夠使得測繪手段不斷的呈現出信息化測繪特點，從而提高對于公路測繪的效率，促進了無人機測繪系統的不斷發展。