基于無人機和全景技術(shù)的“空-地”聯(lián)合公路設計外業(yè)調(diào)查方法

相詩堯，徐 潤，張 濤，郭長順，趙慶濤

（山東省交通規(guī)劃設計院有限公司 全壽命周期BIM技術(shù)應用研發(fā)中心，山東 濟南 250031）

引言

公路工程具有線長、點多、面廣的特點，詳細的外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)對于方案確定和優(yōu)化，以及減少后期變更等具有重要作用[1-2]。對于新建公路而言，路線設計難免要經(jīng)過山區(qū)、河流等地形復雜區(qū)域，這些區(qū)域交通不便，人員到達困難，同時，由于野外環(huán)境復雜，外業(yè)調(diào)查較難做到準確、詳盡[3]。

1 便攜式無人機航測系統(tǒng)

便攜式無人機航測系統(tǒng)是指小型化的多旋翼無人機航測系統(tǒng)，通常為四旋翼無人機，并具有體型小、重量輕、易操作、便于攜帶的特點，通過該無人機可以完成視頻、照片拍攝的需求，能夠在空中獲取工程區(qū)域大范圍的實景照片及視頻資料[4]，作為方案設計、方案論證的有力數(shù)據(jù)支撐，該方法可代替人工進入危險區(qū)域，達到作業(yè)安全、高效的目的。在機型選擇中，將大疆御2 Pro無人機作為首選機型，圖1所示為該款無人機重量僅為907 g，并且可以折疊，便于外業(yè)攜帶，相機像素為2 000萬，拍攝畫面清晰，同時系統(tǒng)具備避障功能，可以減少復雜環(huán)境中操作帶來的風險。

2 便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)

便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)是我公司自主研發(fā)的外業(yè)調(diào)查軟硬件系統(tǒng)平臺，包括外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化管理平臺。采集系統(tǒng)集成了全景相機、高精度定位模塊、工業(yè)級測量平板和外業(yè)調(diào)查APP軟件，實現(xiàn)了外業(yè)調(diào)查屬性信息、全景照片、視頻、音頻和手繪圖等外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取，采集系統(tǒng)見圖2。三維可視化管理平臺，實現(xiàn)了所采集外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的三維可視化管理，集成了數(shù)據(jù)存儲、查詢、統(tǒng)計等功能。

圖1 大疆御2 Pro無人機

圖2 外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)

3 應用實例

3.1 針對不同應用場景的便攜式無人機航測方法

通過便攜式無人機航測系統(tǒng)能夠由空中視角完成對工程現(xiàn)場環(huán)境實景數(shù)據(jù)的采集，針對不同需求和應用場景，設計了不同的數(shù)據(jù)獲取方法，可分為路線整體方案外業(yè)調(diào)查應用、交通流量調(diào)查應用和重要工點現(xiàn)狀外業(yè)調(diào)查應用。

3.1.1 路線整體方案外業(yè)調(diào)查應用

對于公路工程而言，設計里程往往達到幾十公里至幾百公里，通過手控無人機方式獲取全路線的外業(yè)調(diào)查資料將耗費大量時間，并易出現(xiàn)無人機拍攝時偏離設計線位的情況；同時，由于公路工程長線型的特點，手控無人機航拍方式容易出現(xiàn)無人機超出視野范圍等情況，存在安全隱患。針對該問題，設計了無人機跟隨設計線位自主航拍的方法。首先將投影坐標的設計線位轉(zhuǎn)換為WGS84經(jīng)緯度坐標的*.kml格式的航線文件，然后根據(jù)無人機續(xù)航能力，將航線按照5～6 km分段，并根據(jù)劃定的飛行航線選擇合適的起飛點，最后設定飛行參數(shù)，由地面站控制軟件實現(xiàn)無人機自主航拍，從而獲取公路全線的視頻資料。采用該方法既能保證作業(yè)安全，又可提高效率，單人單機每天能夠完成40 km視頻資料的采集任務，所獲取的視頻資料可用于線位合理性驗證、地表附著物調(diào)查、方案匯報、征地拆遷爭議處理等方面，見圖3獲取的視頻截圖。

3.1.2 交通流量調(diào)查應用

準確獲取交通流量現(xiàn)狀信息，對于方案規(guī)劃設計具有重要的參考意義。為了更加靈活、準確地獲取交通流量信息，可根據(jù)需求，將無人機懸停在需要獲知交通流量的路口或者道路上方，調(diào)整鏡頭角度，使其垂直拍攝，見圖4，進而可以獲取實時的交通流量數(shù)據(jù)。通過該方式，可以靈活地選擇拍攝地點以及拍攝時間，由于無人機鏡頭收錄范圍廣，可全面地記錄道路整體交通狀況，利于設計方案論證。

圖3 無人機航拍視頻

圖4 無人機交通流量調(diào)查

3.1.3 重要工點現(xiàn)狀外業(yè)調(diào)查應用

重要工點區(qū)域，地物之間的距離以及相互關系等對于確定設計方案至關重要，便攜式無人機航測系統(tǒng)可以用于小區(qū)域的正射影像獲取。實際操作時，需要在工程區(qū)域內(nèi)布設像控點，以控制最終成果的精度，并通過無人機地面站軟件完成航線規(guī)劃及參數(shù)設定，無人機根據(jù)設定的參數(shù)完成自主航測并獲取多張高重疊度的航片，利用無人機航測數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)空三加密、DSM構(gòu)建、影像鑲嵌等處理可以獲取該區(qū)域的正射影像數(shù)據(jù)[5-6]。圖5為獲取的某區(qū)域的正射影像圖，通過該圖可以詳細地確定出各類地物之間的空間位置關系，便于重要工點的方案設計。

3.2 便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)道路外業(yè)調(diào)查方法

在自主研發(fā)的便攜式全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)中，可以將道路設計線位、已有的基礎地形圖、影像圖在外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查APP軟件中疊加顯示，并通過實時差分定位模塊獲取高精度定位信息，實現(xiàn)了依托數(shù)字化的基礎資料和高精實時定位的外業(yè)調(diào)查。在重要的外業(yè)調(diào)查點處，可利用集成的全景相機獲取4K高清全景照片，全景照片在機內(nèi)完成拼接合成，節(jié)約了照片后期拼接處理的時間，通過相機中配置的陀螺定向系統(tǒng)，可以獲取全景照片準確的方位信息，見圖6。

圖5 正射影像

圖6 移動端全景影像瀏覽界面

同時，在外業(yè)調(diào)查APP中可以自由配置各類外業(yè)調(diào)查表格，實現(xiàn)外業(yè)調(diào)查內(nèi)容的電子化錄入，并 設計實現(xiàn)了語音自動識別錄入功能以及繪圖圖庫，提高信息錄入效率，圖7為外業(yè)調(diào)查信息錄入界面。通過外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集裝置，最終可以獲取外業(yè)調(diào)查點的高精度位置信息，以及在該點處所拍攝的全景影像、視頻音頻資料、詳細的外業(yè)調(diào)查表單、手繪圖資料等數(shù)據(jù)。最終，由外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化管理平臺完成數(shù)據(jù)管理，在平臺系統(tǒng)中，外業(yè)調(diào)查點根據(jù)類型劃分，以不同的三維空間坐標點符號的形式展現(xiàn)在三維場景中，并掛接了對應的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)。通過點擊圖標，即可實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)瀏覽，圖8展示了平臺的全景影像瀏覽功能。系統(tǒng)還具有自動統(tǒng)計計算功能，可對各類外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)進行自動分類和統(tǒng)計，一鍵導出各類外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計報告，提高了數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計的效率。

圖7 外業(yè)調(diào)查信息錄入界面

圖8 外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)三維可視化管理平臺全景影像瀏覽界面

4 結(jié)語

“空-地”聯(lián)合公路設計外業(yè)調(diào)查方法充分運用了無人機航測技術(shù)和自主研發(fā)的全景影像外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)，可為公路設計提供更加全面、準確、豐富的數(shù)字化外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，進一步提升外業(yè)調(diào)查質(zhì)量和效率。