無人機航測技術在山區道路勘測中的應用

陳江，袁士才，周佳，傅向全，郭乙輝

（長江師范學院土木建筑工程學院）

1 引言

我國西南片區多以山地、丘陵為主，交通是區域經濟發展的一大制約因素，區域交通的規劃設計往往離不開前期的勘察工作。目前，道路前期勘察工作中，帶狀地形圖測量方法主要有全站儀測量、GNSS‐RTK 測量以及傳統航空攝影測量法[1]。無人機低空航攝系統以無人機為飛行平臺，輔以專用航線規劃軟件控制自主飛行來獲取高分辨率遙感影像的遙感技術，其具備起飛條件機動靈活、定位精確、地理信息采集方便、影像遙感信息處理及時高效等優點[2‐3]。根據相關研究資料證實，經過地面像控點的加密，測量成果可以達到1:2000 比例尺、甚至1:1000比例尺地形圖的精度要求，為無人機航測技術在公路帶狀地形圖測繪中的應用提供生產實踐經驗[4‐5]。一般來說，常見的低空無人機飛行平臺主要有固定翼無人機、多旋翼平臺、復合式布局無人機等種類[6]。固定翼及復合翼無人機相關研究成果較多，且在大型工程勘測項目應用中取得了很好的效果，但是這兩種無人機系統較為昂貴，一般性企事業單位以中小型項目為主，設備購置及維護的經濟壓力較大，因此，以價格比較親民的消費型多旋翼無人機開展應用研究很有必要。

2 航測實驗

為充分研究消費型無人機在中小項目中的應用優勢，分析相控點的布設方法，驗證不同像控下的具體精度，以某道路工程項目為例，采用大疆精靈4Pro無人機開展航測實驗。實驗測區位于重慶市涪陵區內，呈帶狀分布，長約1500m，寬約200m，地勢北高南低，高差約80m。路基形式主要為全填或全挖，邊坡較陡。

2.1 實驗過程

實驗過程主要分為四個步驟。

①前期規劃，根據衛星影像數據及該測區相關材料，初步規劃像控點的布設、檢核點的采集以及航測參數選取等工作；

②外業測量，先進行像控點、檢核點的實地布點，之后開展點位數據采集及實地航飛，并檢查坐標數據及像片完整性；

③內業數據處理，根據航測成果利用專用軟件進行分析處理；

④成果分析，采用多種像控方案進行內業處理，對比其不同方案下的精度變化規律，從而推導最優方案。

2.2 具體實施

為盡可能提高實驗測量數據精度，并保證一架次飛行覆蓋更多區域，確定以中間點作為起點，該點接近區域平均高程。經公式計算，航高為105m時，地面分辨率為2.9cm 能滿足實驗要求，依此進行航線規劃，設定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，同理，計算山頂點（區域最高點）及山底點（區域最低點）飛行參數，可見數據滿足規范規定。

像控點的布設數量和位置，對實景模型精度、外業測繪工作量、模型構建成本等會產生很大影響[7]。為保證實驗區域模型精度，設計布設5 個像控點，并在道路斷面上每隔一定間距布設檢核點，點位布設如圖1所示。

圖1 測區概況及像控點布設示意圖

像控布設完成后，進行無人機航飛，飛控采用DJI GS Pro航飛軟件，根據計算的航測參數，進行航線規劃設計，使其根據設置航線自主飛行，飛行結束后，現場檢核是否存在像片不清晰、漏片等情況。

2.3 內業處理

本次實驗像片處理采用Pix4D 軟件。首先將像片導入軟件中，之后將像控點坐標數據導入軟件中進行刺點，最后進行處理選項設置。將初始化處理、點云及紋理以及DSM、正射影像和指數這三個步驟中的選項，根據項目需求進行設置后，開始運行處理即可。為驗證像控點與精度關系，本次處理采用3種方案。方案1：選用5 個像控點，即全部參與處理，像控點間距約400m；方案2：選用3 個像控點，即首、尾、中間點參與處理，像控點間距約750m；方案3：選用2個像控點，即首、尾點參與處理，像控點間距約1500m。3 種方案的處理過程未出現缺少數據、像片不足等運行問題，最終得到相應成果。

3 成果分析

3.1 平面位置對比分析

將成果中的正射影像、實測的檢核點數據分別導入南方CASS10.1 軟件中，檢查點位的對應程度，實際效果中發現三種方案均存在一定的誤差。為使其更有針對性，以道路斑馬線、井蓋等設置點位進行平面誤差分析，其中紅色方格為實測數據，藍色方格為影像位置，可見像控點越稀疏，平面誤差越大，情況如圖2所示。

圖2 數據對比分析示意圖

3.2 點位誤差對比分析

根據實地測量值和軟件量測值的分布情況，計算出三維模型三個方向的中誤差及平面中誤差，計算結果如表1所示。

表1 點位誤差分析表

3.3 像控點位置與檢測點位精度分析

通過誤差分析表可見，在山區道路勘測中，像控點的布設至關重要。由于山區道路本身的起伏極大，如果像控點間距超過1km，引起的平面誤差、高程誤差可達到米級。像控點間距在400m 左右時，點位誤差能控制在0.1m 以內，而且像控間距越大，點位誤差越大，且變化不為簡單的倍數關系，同時，像控點發揮著誤差擬合作用，離像控點越遠的檢核點誤差越大，另外，由于原始地形存在高差，因此體現出航測相對高度對分辨率及檢核點誤差也有一定的影響。

根據《低空數字航空攝影測量內業規范》（CH/Z 3003‐2010）要求，不同比例尺地形圖中內業加密點位精度要求，可見，方案1滿足1:500成圖要求，方案2基本滿足1:1000成圖要求。

4 結語

重慶、四川地區地形條件復雜，多為山地、丘陵地形，傳統道路勘測手段十分艱苦。本文以中小型道路工程項目為基礎，以較為常見的消費型無人機展開航測實驗，通過三種不同的像控點設計，分別得到了不同的航測成果，并對像控點布設對點位精度的影響進行了詳細分析，并證實了無人機航測技術在道路勘測繪圖中的應用前景。但本實驗還存在不足之處，如檢核點斷面可進一步加密、像控點可雙排或星形布設以及項目區域茂密植被覆蓋較少等，今后將繼續開展研究，持續擴大無人機航測技術優勢，應用于更多類型的工程項目，降低生產成本，提高作業效率，實現科技創新的巨大應用價值。