天狼星免像控?zé)o人機(jī)在高速公路橫斷面測(cè)量中的應(yīng)用

來平軍 陳佳 陳適 馬亞飛

（1.自然資源部第一地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054）

作者簡(jiǎn)介：來平軍（1989—），男，漢族，本科，工程師，主要從事工程測(cè)量、無人機(jī)航空攝影測(cè)量。E-mail：549752800@qq.com

1 引言

近年來，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，我國在山地丘陵區(qū)域特別是西部地區(qū)修建了大量高速公路，加強(qiáng)了山區(qū)與外界的聯(lián)系，為山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。在公路勘察設(shè)計(jì)中，橫斷面測(cè)量至關(guān)重要，其成果直接影響土石方計(jì)算，以及道路平面線形和縱面線形設(shè)計(jì)、路基填挖邊坡及支擋構(gòu)造物設(shè)計(jì)、特殊路基處理，同時(shí)還會(huì)對(duì)公路工程造價(jià)產(chǎn)生較大影響[1]。

目前，橫斷面測(cè)量主要利用RTK、全站儀等傳統(tǒng)方法進(jìn)行全野外實(shí)測(cè)，工作量較大，耗時(shí)長(zhǎng)，人工成本較高，效率低下，且在山區(qū)地勢(shì)陡峭、相對(duì)高差大，公路橫斷面測(cè)量工作難度大大增加，傳統(tǒng)測(cè)量手段難以適應(yīng)山區(qū)地形條件。隨著測(cè)繪新技術(shù)、新裝備的快速發(fā)展，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)憑借高精度、低成本、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在測(cè)繪領(lǐng)域進(jìn)行了多方探索，適用于多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，利用天狼星無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在免像控情況下，進(jìn)行公路橫斷面測(cè)量的試生產(chǎn)，驗(yàn)證了天狼星免像控?zé)o人機(jī)在道路橫斷面測(cè)量中的可行性及可靠性。

2 天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

天狼星（Sirius PRO）無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)是由美國拓普康定位系統(tǒng)公司聯(lián)合德國MAVINCI 公司研發(fā)并生產(chǎn)，推出的全球第一臺(tái)免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，顛覆了傳統(tǒng)航測(cè)需要布設(shè)大量像控點(diǎn)的作業(yè)方式，在無人機(jī)航測(cè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，自從2015 年引進(jìn)中國，便迅速在國內(nèi)推廣，得到了廣大用戶的一致好評(píng)[2]。

2.2 系統(tǒng)組成

天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)由飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件組成，操作簡(jiǎn)單便捷，可快速完成設(shè)備的組裝、調(diào)試，執(zhí)行飛行任務(wù)。

2.3 作業(yè)流程

（1）空域申請(qǐng)：項(xiàng)目首先要申請(qǐng)空域，空域申請(qǐng)周期一般較長(zhǎng)，應(yīng)在項(xiàng)目正式開始前申請(qǐng)到位，到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后出示相關(guān)文件（空域批復(fù)函、任務(wù)、工作證、AOPA 飛行證）到當(dāng)?shù)毓簿峙沙鏊M(jìn)行備案登記。

（2）航測(cè)方案：根據(jù)測(cè)區(qū)范圍合理布設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，用于后期成果檢核；利用地面站軟件MAVinci Desktop 規(guī)劃合理的航線方案，該軟件支持多種航線設(shè)計(jì)方案，適應(yīng)多種環(huán)境下的航線設(shè)計(jì)，航線規(guī)劃完成后上傳到無人機(jī)上即可開始實(shí)施飛行。

（3）數(shù)據(jù)獲取：飛行期間，無人機(jī)自主跟蹤起飛前制定的飛行軌跡，機(jī)載相機(jī)自動(dòng)獲取影像并存儲(chǔ)于無人機(jī)，相機(jī)獲取影像的同時(shí)進(jìn)行空中RTK 測(cè)量，每一張相片的位置信息都具有RTK 固定解的精度，每一張相片所對(duì)應(yīng)的高精度POS 點(diǎn)就相當(dāng)于一個(gè)地面像控點(diǎn)。通過整合精密測(cè)時(shí)和高精度定位技術(shù)，使天狼星無人機(jī)在空中即完成傳統(tǒng)的地面控制，達(dá)到免像控的作用。

（4）數(shù)據(jù)處理：天狼星航測(cè)系統(tǒng)采用一鍵式數(shù)據(jù)處理方式，減少了人工干預(yù)[3]。飛行結(jié)束后取出內(nèi)存卡，現(xiàn)場(chǎng)利用MAVinci Desktop 軟件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)預(yù)覽及快速檢查；內(nèi)業(yè)處理只需通過MAVinci Desktop軟件將飛行原始數(shù)據(jù)和基站點(diǎn)成果導(dǎo)入Agisoft PhotoScan，即可一鍵式處理，快速獲取DEM和DOM成果。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）免像控：內(nèi)置100HZ RTK 接收模塊，無需布設(shè)地面像控點(diǎn)便可獲取高精度的測(cè)量成果。

（2）智能化的地面站軟件 ：支持多種類型航線規(guī)劃，如多邊形航線設(shè)計(jì)、帶狀航線設(shè)計(jì)、井字形航線設(shè)計(jì)、沿地形起伏航線設(shè)計(jì)；特別是沿地形起伏的變高飛行模式，在固定翼飛機(jī)中很少見，既能保證影像重疊率，又能保證無人機(jī)的飛行安全。

（3）一鍵式的數(shù)據(jù)后處理軟件 ：數(shù)據(jù)處理操作簡(jiǎn)單，外業(yè)數(shù)據(jù)一鍵式導(dǎo)入PhotoScan 軟件后，無需任何人工交互編輯操作，最終生成高精度的DOM 和DEM 成果。

3 項(xiàng)目案例

3.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于延安市東南部某一在建高速公路，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度約30km，寬度約300m，周圍的基礎(chǔ)控制成果由甲方提供，空域已申請(qǐng)，可隨時(shí)開展航測(cè)作業(yè)。

3.2 外業(yè)航飛

（1）檢查點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量：檢查點(diǎn)布設(shè)時(shí)由于在山區(qū)，有些地方人員無法到達(dá)，因此未能滿足測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)的要求，但是在地形高低起伏變化處都有布設(shè)。檢查點(diǎn)標(biāo)志、位置分布如圖1、圖2 所示。

圖1 檢查點(diǎn)標(biāo)志

圖2 檢查點(diǎn)分布

檢查點(diǎn)成果測(cè)量采用GNSS RTK 方法，RTK 測(cè)量前應(yīng)設(shè)置平面收斂閥值不應(yīng)超過2cm，垂直收斂閥值不應(yīng)超過3cm；檢查點(diǎn)觀測(cè)兩測(cè)回，測(cè)回間的平面坐標(biāo)分量較差不應(yīng)超過2cm，垂直坐標(biāo)分量較差不應(yīng)超過3cm，且每點(diǎn)觀測(cè)前及測(cè)回間應(yīng)對(duì)儀器初始化；RTK 流動(dòng)站每測(cè)回的有效觀測(cè)值應(yīng)大于10 個(gè)，取平均值作為一測(cè)回結(jié)果；測(cè)回間的時(shí)間間隔應(yīng)超過60s；測(cè)回間平面坐標(biāo)分量較差不應(yīng)大于2cm，垂直坐標(biāo)分量較差不應(yīng)大于3cm；取兩測(cè)回結(jié)果的中數(shù)作為最終成果。

（2）航線設(shè)計(jì)：測(cè)區(qū)為帶狀且地形類別為山地，因此航線設(shè)計(jì)采用帶狀變高飛行模式，這種航線設(shè)計(jì)方式避免了傳統(tǒng)飛機(jī)在飛行過程中，由于地形落差大導(dǎo)致影像重疊率不滿足要求的現(xiàn)象，也保證了飛機(jī)的飛行安全。航線設(shè)計(jì)參數(shù)為：航高198m，分辨率5cm，航向重疊85%，旁向重疊75%，航線設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 航線設(shè)計(jì)

3.3 數(shù)據(jù)處理

（1）無人機(jī)數(shù)據(jù)處理：采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，臺(tái)式計(jì)算機(jī)配置：內(nèi)存64G、Intel CORE i7 7700、顯卡Nvidia Quadro M2000。數(shù)據(jù)處理時(shí)架次之間分開處理，利用MAVinci Desktop 結(jié)合Agisoft PhotoScan Professional 軟件進(jìn)行高度自動(dòng)化的一鍵式處理，內(nèi)業(yè)4 個(gè)小時(shí)便完成了兩個(gè)架次的影像數(shù)據(jù)處理工作，得到DOM 和DEM 成果，如圖4、圖5 所示。

圖4 DOM成果

圖5 DEM成果

（2）DSM 生成：用Eps 三維測(cè)圖系統(tǒng)將DOM 和DEM成果進(jìn)行疊加，生成垂直攝影模型成果，如圖6 所示。

圖6 垂直攝影模型成果

3.4 橫斷面成果制作

（1）橫斷面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取：橫斷面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)通過內(nèi)業(yè)在無人機(jī)垂直攝影模型成果上進(jìn)行人工采集，具體步驟如下：

①在南方CASS 軟件下，結(jié)合公路的設(shè)計(jì)中線，過斷面線樁號(hào)的點(diǎn)位依次制作垂直于中線的垂線，形成斷面線文件，如圖7 所示。

圖7 斷面線文件

②在Eps 三維測(cè)圖系統(tǒng)中加載DOM、垂直攝影模型及斷面線dwg 格式的文件。

③在Eps 三維測(cè)圖系統(tǒng)中人工采集斷面線上的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖8 所示。

圖8 斷面線高程點(diǎn)采集

（2）利用自編CAD 插件自動(dòng)生成橫斷面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。將（1）采集的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS 做輔助線連接斷面高程點(diǎn)，每個(gè)高程點(diǎn)處需有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖9 所示。生成的橫斷面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件如圖10 所示。

圖9 橫斷面高程點(diǎn)文件

圖10 橫斷面文本數(shù)據(jù)

（3）利用ZDM 軟件自動(dòng)生成橫斷面圖，如圖11 所示。

圖11 橫斷面圖

3.5 精度評(píng)定

通過對(duì)20 個(gè)檢查點(diǎn)的精度驗(yàn)證，無人機(jī)航飛的DOM 和DEM 成果的平面精度和高程精度都優(yōu)于0.1cm，如表1 所示，完全滿足《公路勘測(cè)規(guī)范》[4]中橫斷面限差要求，如表2 所示。橫斷面成果精度取決于無人機(jī)航飛的DOM 和DEM 成果精度，因此評(píng)定橫斷面成果精度本質(zhì)就是評(píng)定無人機(jī)航飛的DOM和DEM成果精度。

表1 DOM、DEM成果中誤差統(tǒng)計(jì)表

表2 橫斷面檢測(cè)互差限差

4 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)證，利用天狼星免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)技術(shù)開展橫斷面測(cè)量滿足相關(guān)規(guī)范要求，將原來大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)換為內(nèi)業(yè)完成，很大程度上解放了勞動(dòng)力，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。但同時(shí)也存在一定局限性，如飛機(jī)降落采用機(jī)腹著陸滑降的方式，需要一定的降落場(chǎng)地，山區(qū)進(jìn)行比較困難；當(dāng)植被茂密時(shí)，很難通過影像采集到地表，精度會(huì)大大降低。因此，項(xiàng)目生產(chǎn)過程中要從實(shí)際出發(fā)，綜合預(yù)算、工期及地形條件等多方因素制定作業(yè)方案，以期達(dá)到最佳效果。