無人機航測在高速公路橫斷面測量中的應用

連浩東

（中繪云圖信息科技有限公司，福建福州361000）

0 引言

無人機具有飛行速度快、機動靈活的優勢。隨著技術的提升，無人機可以攜帶比較大的載荷，完成復雜的航測工作。在高速公路橫斷面測量中，由于自然環境、測量成本、技術條件的限制，使用全站儀等設備進行測量已經不能滿足當前對效率和精度的要求，所以需要使用無人機航測，提升高速公路橫斷面測量的整體效率和質量。

1 無人機平臺概述

低空攝影平臺能滿足快速獲取高精度穩定數據的需要。平臺的穩定性影響效果，并影響后續的數據處理。無人機平臺的靈活性和敏感性更強，尤其在低空，能在相對復雜的環境中進行測量工作。目前常見的低空無人機平臺包括固定翼無人機、多旋翼無人機、復合式無人機等等。

1.1 固定翼無人機

固定翼無人機和傳統的飛機構型相似，是最早出現和研發的，最簡單的無人機平臺，在民用無人機領域應用廣泛。固定翼無人機可以使用彈射架發射、手拋起飛、滑跑起飛等起飛方式，巡航時間在45min～3h。有些固定翼無人機自帶拍攝裝置，也可以根據需要進行改造，改裝成專用的測量裝置，滿足測量工作的需求。

1.2 多旋翼無人機

多旋翼無人機使用多個旋翼為無人機提供動力和調整無人機的姿態，調整方式主要為調整旋翼的轉速，以及根據需要調整旋翼角度。多旋翼無人機由于有多個旋翼提供升力，所以槳葉可以設計得更小。和傳統的單旋翼無人機相比，取消尾槳讓多旋翼無人機的結構更加簡單，而且使用對稱式布局使節能性更高，所以多旋翼無人機的應用更加廣泛。多旋翼無人機被大量使用的關鍵因素在于，近年來算法技術的快速發展，可以使用多種算法滿足多旋翼無人機的姿態控制需求，自主控制也得到了充分優化。目前多旋翼無人機可以靈活地完成反轉、避障、目標識別和著陸。在飛行中，可以根據周圍氣流狀況調整姿態，所以控制的穩定性很強。另一方面，多旋翼無人機還具有非常強的定制性，可以進行定制，以滿足各種環境下的航拍需求。

1.3 復合式無人機

復合式無人機融合了上述兩種無人機的結構，使其具備更強的巡航功能，也能滿足起降、懸停等需要，具有靈活性和航程遠的優勢。目前復合式無人機普遍采用固定翼無人機和四旋翼無人機復合的布局方式，能控制無人機的垂直起降，并且兼顧速度快、航程長、距離遠的優勢。

2 高速公路橫斷面測量對無人機航測的需求分析

高速公路橫斷面測量工作可以使用全站儀、GNSS等數字化測圖技術。但是如果測量區域的面積比較大，地形比較復雜，全站儀等技術存在靈活性不足，測量效率低的問題[1]。在測量地形時，測量人員需要對整個測區展開測量，如果地形復雜，很容易遺漏重要的碎部點。全站儀還會受到通視條件的影響，需要頻繁更換測站，導致測量精度不能滿足應用要求。另外，使用傳統測量技術將會消耗大量的人工成本，也需要投入大量的物力，增加管理的壓力，測量的整體性和時效性也很難滿足要求。所以，需要一種高機動性、低成本、高時效性的測量技術，滿足高速公路橫斷面測量的需求，無人機就可以較好地滿足上述需要。無人機最初在救災搶險中發揮了巨大的作用，之后在民用市場中也發揮了巨大的作用。技術水平的提升使無人機的制造成本開始下降，消費級的無人機市場隨之開啟。在高速公路橫斷面測量中，最初只是利用無人機作為飛行平臺，搭載相機手動進行重疊影像拍攝，所獲得的圖像數據，并沒有定位系統的支持，航拍系統也沒有足夠的整合性，所以拍攝的空間位置精度不夠。隨著技術的進步，無人機引入了RTK 定位系統，相機技術也能滿足微秒級同步的需要。為了優化使用需求，無人機專門設計了應用可以滿足航線規劃工作的要求，可以實現厘米級別的導航定位，定位系統也能和成像系統結合，從而提升了航測的效率和精度，并降低了作業難度，有效控制了作業成本。目前無人機已經可以使用在大比例尺的地形圖測量、不動產測量、房地一體化測量、地質災害監測中。

3 無人機航測系統的基本構成

3.1 飛行平臺

飛行平臺是無人機航測系統的主體部分，平臺包括機體、動力裝置、控制系統、導航裝置、電池等等。目前，可以根據需要選擇無人機類型，靈活滿足測量工作的需要。飛行數據終端安裝在飛行器上，屬于無人機的組成部分，也屬于數據鏈路的機載部分。

3.2 地面控制站

在無人機測量過程中，通過地面控制站控制無人機，可以傳遞無人機的遙控數據和無人機向下傳輸的圖像，并且能顯示遙測數據。地面控制系統能進行任務規劃和分配，也能接收無人機發出的實時信號，具備信息處理、圖像處理的功能[2]。

3.3 任務載荷

任務載荷是無人機完成任務的模塊，無人機平臺的作用在于攜帶任務載荷，與任務載荷配合完成測量工作。任務載荷通常包括雷達、專業照相機、攝像機等等，目前一些機載激光定位設備也應用在了無人機系統中，還可以裝載可進行氣象化學探測的傳感器。

3.4 數據鏈路

無人機需要和控制站保持通信，向控制站實時發送無人機的位置數據、飛行狀態、測量數據，控制站要向無人機發出控制數據。數據鏈路的硬件包括地面數據終端和空中數據終端兩大部分，地面數據控制終端由天線構成，能夠發出發射飛行器和接收飛行器的信號，也能以衛星作為中繼。

3.5 發射和回收裝置

很多無人機都是通過彈射起飛，采用車載發射、滑跑起飛、垂直起飛等方式，可以根據當地狀況選擇發射方式。在回收時，可以采取網式回收、傘降回收、滑跑著陸等方式。在航測工作開始之前，應該根據無人機的收放方式，準備相應的發射和回收設備，保證測量工作能順利進行。

4 旋翼無人機航測的工作流程

使用旋翼無人機進行航測的工作，可以發揮無人機操作方便、成本低廉的優勢，并且在小范圍的高速公路橫斷面測量中非常靈活。在常用的RTK 模式下，進行測區的正射影像測量時，工作流程包括航測準備、航線規劃、相機參數設置、航拍作業和影像處理。

4.1 航測準備

航測準備工作是在到達測區開展航測之前的前期準備工作，需要準備飛行器、測區KML 文件，并布置像控點。在飛行器準備過程中，需要配備足夠數量的電池，滿足測量工作的能源需求。正常每塊電池可以維持正常飛行18～24min，充電50min，測區的狀況、面積、形狀、飛行器的飛行高度、測量過程中的重疊率、測量中的環境溫度也會影響耗電速度。對于測區要提前進行準備，可以使用相關地圖軟件做測區的地標KML 文件，導入遙控器中。需要在測量工作開始之前確定像控點，提高航測成圖的精度，通過合理布置像控點，滿足對坐標控制的需求。

4.2 航線規劃

合理的航線規劃能提升測量工作的效率。在該項工作中，需要連接周圍移動網絡、設置合適的飛行行為、確定RTK 定位模式。針對測量模式，要設計合適的飛行高度和速度，并且根據當地的情況設置影像重疊的情況。在航線規劃的工作中，首先需要保證飛行器遙控器和網絡保持連接，可以在遙控器上安裝SIM 卡，連接4G/5G 網絡。之后，使用RTK 賬號登錄服務器，保證無人機獲得RTK 固定解。如果測區只進行正射數據影像采集，就可以使用2D 的航線規劃方式，節省航拍時間；如果進行3D 影像采集，需要針對當地的地形特殊規劃航線。航線必須保持安全飛行高度，比如要避免與測區內的最高地物碰撞，避讓電線等等，所以要保證飛行高度高于當地最高地物。

4.3 相機參數設置

相機參數設置包括設置照片比例、白平衡、云臺角度、光圈、ISO、快門、補光等等，合理的相機參數能獲得更為清晰的航拍圖片，可以按照默認設定設置，但是也要考慮當地的天氣狀況、光照、環境顏色，以及根據無人機的飛行高度進行調整。在拍攝正射影像時，可以選擇-90o的云臺角度，而為了提升建圖的精度效果，可以關閉相機的修正畸變功能。

4.4 航拍作業

航拍作業是航拍工作的實施階段，目前多數無人機都能自動完成航拍工作。但是在航拍過程中仍需要有人員監視整個航拍過程，如果發現航拍中出現錯誤，就需要及時進行修正。

4.5 影像處理

在完成航測任務后，獲得的影像并不能直接使用，而是需要將數據導入電腦中繼續處理。照片中包含了相機的參數信息，可以在記事本中獲得參數，了解拍攝當時相機的狀態；POS 信息是每張相片拍攝時所對應的空間位置信息，需要保證POS 信息格式規范，和照片的名稱一致；在影像上標記控制點之后，可以進行初次空三解算，獲得控制點的位置；然后利用多個包含控制點的照片進行控制點的精確標記；在所有控制點標記完成后，再進行空三解算，修正過去的數值；最后進行影像的拼接工作，建立坐標系，生成測區的正射影像。

5 結語

無人機航測相比傳統的工作方式具有比較大的優勢。在實際應用中，應該做好航線的規劃工作，合理設置攝像系統的參數。在航測工作開始之前必須做好準備，充分發揮無人機航測在高速公路橫斷面測量中的作用。