無人機公路測繪技術現狀及應用

吳聚偉

（廣東省地質局第三地質大隊，廣東 惠州 516081）

1 引言

無人機公路測繪技術是以飛行的無人機作為空中搭載平臺，在特定的觀察測繪路線下從不同的角度對公路工程的帶狀地形進行測繪建模的一種實用信息化測繪技術。同時，相比于以往傳統技術模式下的測繪成果，無人機公路測繪技術的大比例地形勘測可以更加直觀地描述工程用地及周邊地區的地貌特點，這對于公路地質災害分析以及公路養護測繪等方面來說，均有著極為重要的應用意義。

2 無人機公路測繪技術的主要原理

無人機公路測繪技術，主要是指在公路工程的地表三維測繪建模中，利用搭載著CCD高分辨率測繪航拍相機以及激光掃描儀、測距儀等信息化測繪設備的無人機，在空中合適的測繪拍攝角度，以無人機遙感控制的方式收集公路工程的地貌、地物與地貌信息。而后等到無人機回收后，再利用計算機上的測繪軟件來將無人機拍攝收集的測繪圖像信息進行綜合處理，按照公路工程需要的精度條件來生成測繪成果圖。它在拍攝測繪成圖的方式上與傳統航空測繪技術有些類似，但二者的具體成圖原理稍有差別。傳統航空測量只能執行固定的測量路線，且往往只能以垂直拍攝的角度來拍攝地物信息，因此對于公路工程這種地物信息較為復雜的測繪對象來說，往往很難滿足具體的測繪精度要求[1]。而無人機公路測繪技術是依靠多個傳感器以垂直、側視等不同的拍攝角度收集地物信息的，因此，理論上它比傳統航空測繪技術的精度要高許多。

3 無人機公路測繪技術的優勢

結合以往的測繪項目實例進行分析，在公路工程中應用無人機測繪技術的優勢主要體現在如下幾個方面。

3.1 測繪手段靈活

傳統的公路測繪技術需要面臨這樣的問題，無論是公路工程的縱橫斷面測繪還是地形水準測繪，在布設測站控制點時，都會遇到障礙物遮擋觀測視野，或理想測點位置無法到達的問題，因此，需要不斷地調整設計外業測量方案，直至所有控制點與觀測站均滿足觀測基本要求為止。這樣的測繪手段不僅絲毫不具備效率優勢，且極容易因測站、控制點位的調整產生精度偏差，影響最終的測繪成圖質量[2]。而以空中搭載遙感設備的方式進行工程地物的測繪，無論是測點平面坐標還是飛行高度都可以人為控制，這主要得益于無人機低能耗與體積小巧的特點。當前階段被投入測繪用途的無人機產品，其飛行高度與飛行路線是可以通過自動巡航或人工操作來控制的，既可以在較高的空域飛行，也可以進行低空飛行，這樣就可以很好地解決測繪項目場地外業測區條件不理想的問題。

3.2 測繪精度高

無人機公路測繪技術的最終成圖效果與搭載遙感設備自身的精度水平有著很大關聯，只有使用高分辨率的遙感拍攝設備，才能確保無人機公路測繪的成圖精度。而如今業內經常使用的主流測繪設備，可以輕松實現自動化三維建模功能，通過直接測量得到附帶空間地理信息的可量測圖像數據。同時，還支持DSM、TDOM、DLG與DOM等高精度數字工程模型數據的輸出，具有極高的測繪成圖質量。

4 無人機公路測繪技術的應用問題

無人機公路測繪技術是測繪行業朝向信息化、智能化轉型發展的關鍵標志，盡管具有多種技術優勢與成本優勢，但當前無人機測繪技術還并未在我國公路工程測繪中形成一定的普及應用規模。當前公路工程測繪使用的無人機以小型尺寸機型居多，在進行拍攝與數據獲取的過程中，主要任務是收集拍攝圖像的GPS坐標數據以及飛行數據。而在拍攝圖像信息與數據的擬合過程中，經常會出現因地面起伏導致疊合率不高的問題。出于荷載、功耗、體積、質量等因素的考慮，當前使用的無人機飛行器設計中缺乏可靠的空中測距設備與技術支持。為滿足飛行靈活性的需求，小型無人機含搭載設備僅有2.7～5.5 kg重，因此，它無法像傳統航空遙感測繪技術那樣機載無線電測距設備，這是無人機GPS數據生成的誤差主要來源。

5 無人機公路測繪技術的改進途徑——以廣東省某高速公路帶狀地形測繪為例

5.1 測繪項目簡介

廣東省某地存在一高速公路工程，全長約52.4 km，寬度約為23 m，其中道路長度為24 km線長部分為平原路段，28.4 km線長為山區路段，地勢起伏錯落，山區路段與平原路段的最大高差為550 m。該地規劃于2019年6月對原有公路進行改擴建施工，而在公路線形設計，需要結合公路工程的地物信息情況以及周邊地貌信息來綜合制定。通過前期的外業勘查發現，工程所處位置實測條件不理想，存在多處自然樹林、圍巖結構等遮擋障礙。因此，根據公路改擴建工程的設計意圖，計劃采用CORS系統來完成空間位置坐標參數的轉換，在公路工程利于無人機拍攝測繪的地點進行刺點處理，采用“傾斜拍攝成圖+激光三角測距”的方法來形成高精度測繪模型圖。

5.2 確定無人機測繪飛行線路

該公路測繪項目中，無人機的測繪飛行路線主要是根據CH/Z 3005—2010《低空數字航空攝影規范》（項目當時施行規范）要求，使飛行器的拍攝傾角與水平成15°以上的夾角。為了確保無人機拍攝拼接的圖像模型滿足工程設計需求，使用的機載拍攝設備成像像素水平均在3 500萬以上，同時還需要從相機的影像能力、作業時間、曝光性能以及POS記錄等功能因素來選擇合適的設備型號。在此基礎上，首先需要對無人機測繪的飛行線路進行設計。在高度選擇上按照式（1）進行計算：

式中，H為無人機的航拍高度，m；f為航攝設備的鏡頭焦距，m；GSD為地面分辨率，是無人機測繪項目中可以區分兩個臨近測繪地物的最小距離，m；α為像元尺寸，是構成無人機測繪掃描數字化圖像的最小采樣點，m。

經過相關的外業勘查信息輸入，計算得到該測繪項目的拍攝高度為680 m[3]。確定了拍攝高度后，只需要確保測繪路線具備設備90 min全天候作業條件，并確保地物對象的航拍圖像滿足重疊度要求即可。根據規范要求，無人機低空測繪成像的航向重疊度應當為60%～80%，旁向重疊度不應低于15%，傾斜攝影時傳感器旁向重疊度不應低于53%。航向重疊度越高，則相同區域的公共像素數據量信息也就越大，測繪模型的生成就讀才會越高。

5.3 空中三角測量法降低拍攝測繪誤差

為了進一步降低航攝誤差，該測繪項目采用了空中三角測量法。首先如圖1所示，在四周無遮擋的場地上做出像片刺點，刺點是空中三角測量法所選取的測距基準參考像素點，盡可能選擇黑白相間的醒目地表圖案來作為無人機航攝傳感器的識別影像。在刺點的尺寸選擇上，需要以測繪成像的實際分辨率為準，根據該測繪項目選用的航攝設備地面分辨率，地面刺點標志的尺寸大小應當為600 cm×600 cm或以上。

圖1 無人機公路測繪的刺點標志例圖

而后采用激光三角測距儀與立體測圖儀來將一條航線上所拍攝的所有像片按照其各自的生成順序進行排序與定向，并在每兩組相鄰影像中找到公共的刺點標志，將模型依次首尾相連，構成如圖2所示的航攝控制網格。航攝控制網格形成要求外業測繪現場至少具備6個以上由刺點標志構成的作業控制點，其中控制點位的數量越多，空中三角測量體系的精度就越高，但相應地作業成本與作業任務量也就會越多。在排列空中三角測量航攝像片時，需要注意在同一個控制網格內，像片必須要經過等比縮小，而后通過基線內線與向外安置，對加密點進行左右視圖的轉換，以此來消除圖像畸變給網格帶來的誤差影響。

圖2 航攝控制網格示意圖

在該控制網格體系內，任意一點的點坐標都是相對于航攝鏡頭的中心點P散出的結構光測距方法得出的，即使該點不在控制網格的基準平面以內，也可以由三角測距的方法來求出。

6 結語

綜上所述，無人機公路測繪技術是無人機航攝技術的延伸，它既不用像傳統工程測繪技術那樣受到測繪的自然地貌條件限制，也無須航空測量那樣花費較高的經濟成本，具有機動靈活、作業成本低廉、生產周期極短等特點。在公路設計中應用無人機測繪技術，可以最大限度地消除障礙地貌對觀測地物的干擾影響，同時還能顯著提高施測效率。而提高無人機測繪模型成圖的精度，需要在合理規劃航攝路線的前提下，綜合空中三角測量法，進一步建立起空中測繪作業的控制網格，以此保證數字化航攝測繪像片接合生成的模型數據精確、校正良好。