無人機測繪成果在公路測量中的應用分析

董康強、詹德勝、靳自強、陳然

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.四川西南交大鐵路發展股份有限公司，四川 成都 610091；3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000；4.成都市工程職業技術學校，四川 成都 610306）

0 引言

公路測量是確保公路建設及管護運營質量和安全的重要環節。公路工程大多存在環境復雜、地段偏僻的情況，其測量工作多受制于地理條件、環境因素。傳統的人工測量方法存在工作周期長、勞動強度大、數據易差錯等問題，而無人機測繪技術的出現為公路測量帶來革命性的變化。無人機測繪具有高效、靈活、精確和安全的特點，在探測和測繪領域開發潛力大，尤其是在地形測量上具有多樣化的測量工作優勢，能為公路建設和管理創新及進步提供前所未有的數據服務。

1 無人機測繪技術的特點

第一，無人機測繪技術相比傳統的地面測量方式，具有高效的特點。其對空間環境要求不高，可以實現低空飛行，受氣候環境影響較小，且能快速飛行并自動化地獲取大量的影像數據，在獲取航拍影像時可不考慮飛行環境的影響，大大提高測繪工作效率。同時，無人機可以覆蓋大范圍的區域，減少人力資源和時間成本。第二，無人機測繪技術具有較高的靈活性。通過調整無人機的飛行高度、路徑和姿態等參數，可以適應不同地形條件的測量需求。無人機可以進入傳統測量難以到達的區域，如復雜地形、懸崖峭壁等，能切實解決人工無法勘測或測量的環境問題，實現全面的測量覆蓋。第三，無人機測繪技術可以實現較高的測量精度。搭載在無人機上的測量設備和傳感器具備較高的精度，能夠獲取高分辨率的影像或點云數據。同時，通過精確的飛行控制和姿態穩定技術，可以減小飛行姿態對測量結果的影響，提高測量的精確性。

2 無人機測繪中數據處理技術

2.1 數字正射影像圖（DOM）

數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）是無人機測繪中常用的數據處理技術之一。它是通過對航拍獲取的影像進行處理，將影像糾正為與地面垂直的正射影像。數字正射影像圖是一種具有地理坐標、比例尺和地面垂直性的影像產品。通過去除航拍影像中的地形變形和相機姿態效應，將影像元投影到地面平面上，使影像中的地物保持其真實的形狀和比例關系。相比于傳統的航空影像，DOM 具有更高的幾何精度和圖像一致性[1]。

生成數字正射影像圖的處理主要有以下幾個步驟：一是對航拍獲取的影像進行相對定向和絕對定向，獲取影像的外方位元素和內方位元素，確定每個像素點的攝影測量坐標。二是根據航拍獲取的影像和攝影測量坐標，利用數字影像處理軟件進行三角剖分和地形點云插值，生成數字高程模型，記錄地面高程信息。三是通過將數字高程模型和影像數據進行匹配，校正影像的幾何形狀，消除地形變形和相機姿態效應，得到地面垂直的正射影像。四是對正射影像進行色彩校正，使其具有真實的顏色和色調。如果需要融合多個航拍影像，可以進行影像融合處理，提高影像的一致性和覆蓋范圍。

2.2 數字高程模型

數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是無人機測繪中常用的一種數據處理技術。它是通過采集、處理和分析無人機獲取的地面數據，生成地形表面的數值表示。數字高程模型在數據處理中，先由無人機通過激光雷達或攝影測量設備獲取地面的三維點云數據，包含地面上的建筑物、植被和地形等特征，對采集到的點云數據進行濾波和去噪處理，以去除不必要的干擾點和誤差。然后，通過插值算法對點云數據進行處理，生成均勻的高程格網。插值算法主要是根據點云數據的密度和分布情況，推算出缺失區域的高程數值，從而構建出完整的高程模型。常用的插值算法有反距離加權法、三角網剖分法和克里金插值法等。生成高程模型后，還需要進行后續的數據處理和分析。一種常見的處理方法是地形特征提取，根據高程模型的數據提取出地形的特征信息，如山脊、河流和坡度等。這些信息可以用于地質勘查、土地利用規劃和自然災害分析等領域。

2.3 數字地面模型

無人機測繪技術在公路測量中的應用越來越廣泛，其中數據處理技術中的數字地面模型（Digital Surface Model，簡稱DSM）在該領域起著重要的作用。數字地面模型是無人機測繪中常用的一種數據處理技術，它是通過采集、處理和分析無人機獲取的地面數據，生成地表特征的數值表示。數字地面模型不僅包括地面的表面高程信息，還包括地物（如建筑物、樹木等）的高程信息。

在公路測量中，數字地面模型可以提供以下方面的應用。首先，它可以提供精確的地形信息，幫助確定公路的縱斷面和橫斷面設計。通過對數字地面模型進行分析和測量，可以獲取公路沿線的地面高程、坡度、曲率等參數，進而優化公路設計，提高公路的安全性和通行效率。其次，數字地面模型還可以用于公路工程施工前的地形分析和規劃。通過對數字地面模型進行可視化分析，可以識別出公路工程中的地形障礙物、土地利用現狀等信息，有助于確定最佳的公路線路和施工方案。

3 無人機測繪成果在公路測量中的應用

3.1 量測與測量

無人機測繪技術在公路測量中的應用主要包括量測和測量。通過搭載高精度的測量設備，無人機可以快速、準確地進行公路相關的測量工作。首先，無人機測繪技術可以用于公路的長度測量。通過全球定位系統（GPS）等定位設備，無人機能夠實時獲取其位置信息，從而可以測量公路的長度。無人機可以沿著公路路徑飛行，通過獲取坐標點并計算距離，得到公路的長度數據，為工程規劃和設計提供準確的參考。其次，無人機測繪還可以進行公路的寬度測量。無人機通過搭載激光測距儀等測距設備，能夠實時測量公路的寬度。在飛行過程中能利用激光束測量公路兩側的距離，從而確定公路的寬度。再次，無人機測繪技術還可以用于測量地面標志和交通設施。通過高分辨率的相機設備，無人機可以準確捕捉道路標線的位置和長度，這有助于檢查道路標線的合規性和清晰度，確保交通安全。最后，可以利用無人機測量交通信號燈的安裝高度和角度，確保信號燈的正確設置和可見性，提高交通流暢性。

3.2 環境評估與土地利用規劃

環境評估與土地利用規劃是無人機測繪在公路測量中的重要應用領域之一。無人機測繪技術提供了高分辨率的航空影像和地面模型，為環境評估和土地利用規劃提供了豐富的地理數據和信息。利用無人機能夠捕捉公路周邊的植被分布、水域分布和自然景觀等重要環境要素，進而獲取航空影像數據，其所獲得的影像具有高分辨率的特點，能清晰顯示不同類型的植被覆蓋和水域分布情況，有助于分析公路對周邊生態環境的影響。例如，利用無人機測繪成果評估公路建設對植被破壞的程度，監測公路沿線植被的變化，甚至進行植被生態功能評估。此外，通過分析水域分布情況，可以評估公路建設對水資源的影響，為水資源管理和保護提供數據支持。

3.3 施工監測與質量控制

無人機測繪可以提供實時的施工監測和質量控制信息。通過定期采集無人機測繪數據，可以對公路施工現場進行測量和監測。無人機搭載的相機和傳感器可以獲取施工現場的高分辨率影像和地面數據。通過與設計數據進行對比，可以及時發現和定位施工過程中的偏差和錯誤，提高施工的精度和效率。此外，無人機還可以進行質量檢查，例如檢測路面平整度、標線位置等，確保公路的質量符合設計要求。無人機測繪技術能夠覆蓋廣闊的施工區域，提供全面的視角和數據支持，有助于監控施工進度和質量，減少人工巡檢的工作量，提高施工管理效率[2]。

3.4 現場安全監測

無人機測繪還可以用于公路施工現場的安全監測。首先，無人機可以用于檢測施工區域的安全隱患，其搭載高分辨率的相機和傳感器，可以對施工現場進行全面的視覺監測，捕捉到施工現場的實時影像和視頻，并通過圖像分析和算法判斷是否存在安全隱患。例如，利用無人機監測施工現場的土質穩定性，及時發現土坡塌方、邊坡滑坡等地質災害風險。此外，還能檢測施工現場的臨時支撐結構、腳手架、圍擋等是否牢固可靠，提前發現施工過程中的安全問題。其次，無人機可以用于監測施工現場周邊的交通狀況。公路施工常常伴隨著交通管制和道路封閉，對交通安全提出了嚴格要求。通過無人機的航拍，可以實時監測施工現場周邊道路的交通流量、交通堵塞情況和交通安全措施的有效性。如果發現交通安全措施不到位或存在交通堵塞等問題，可以及時采取措施解決，確保施工現場和周邊道路的交通安全。

4 應用案例分析

在某段公路應用無人機進行實地測量，經上述過程數據處理后得到圖1 所示激光點云模型。

圖1 激光點云模型

無人機在1∶500 比例尺、地形測量精度為5cm，同一區域同比例尺條件下GPS-RTK 進行測量復核，部分特征點兩者測量高程如下表1，同一特征點兩者測量高程對比均小于5cm，滿足精度要求。

表1 無人機與RTK 測量地形特征點高程對比表

將無人機和RTK 采集的數據進行數據處理，應用方格網法測算土方，設計高程假定30m，計算過程如圖2、圖3 所示，無人機與RTK 測算土方量對比如表2所示。

表2 無人機與RTK 測算土方量對比表

圖2 無人機測算土方量

圖3 RTK 測算土方量

該公路隨機抽取面積為337.6m2范圍進行試驗，按照設計高程30m 開挖，無人機測算土方量為3667.6m3，RTK 測算土方量為3623.8m3，兩者相差43.8m3，差值較小，可忽略不計。綜上所述，在1∶500比例尺條件下，土石方工程量計算可以使用無人機測圖替代傳統GPS-RTK 測圖，且無人機測圖工作效率更高，節約更多的成本，不足之處是無人機無法代替RTK 進行構筑物放樣。

5 結語

無人機測繪技術成果在公路測量中的應用為公路建設和管理帶來巨大的優勢。通過快速獲取高精度的地理數據，無人機測繪技術提高了測量的效率和準確性，為公路規劃、設計、施工和維護提供了可靠的基礎數據。隨著無人機技術的不斷創新和發展，無人機測繪在公路測量中的應用前景更加廣闊。未來，可以預見無人機測繪技術將進一步提高測量的精度和效率，推動測繪數據的自動化處理和分析，實現更高程度的智能化。同時，無人機測繪技術將與其他技術領域相結合，如人工智能、大數據分析等，為公路建設和管理提供更多創新和解決方案。相信無人機測繪在公路測量中的應用將繼續拓展，為公路建設的可持續發展作出更大貢獻。