無人機航測技術在公路帶狀地形圖測繪中的運用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.041

摘" 要：為實現公路帶狀地形圖的高精確度測繪，并研究無人機航測技術的應用優勢。采用控制測量、無人機航空攝影、像片控制點布設及測量、空三加密計算、內業測圖、外業調繪及精度檢查等環節對無人機航測技術的精確度進行評價。結果表明，無人機航測技術在等高線插值高程誤差、地物點的點位中誤差等信息均處于高精度的范圍內。說明使用無人機航測技術能夠獲得高精確度的公路帶狀地形圖的測繪結果，建議在未來的使用過程中對多元化測繪、全自動測繪、成本降低和多遠數據協同利用等方面進行進一步優化。

關鍵詞：無人機；航測技術；公路帶狀地形圖；高清測繪；精確度

中圖分類號：U412.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0165-04

Abstract： In order to realize the high-precision surveying and mapping of highway strip topographic map， and study the application advantages of UAV aerial survey technology. The accuracy of UAV aerial survey technology is evaluated by means of control survey， UAV aerial photography， photo control point layout and survey， space three encryption calculation， indoor mapping， field mapping and precision check. The results show that the UAV aerial survey technology is in the range of high precision in the information such as the elevation error of contour interpolation and the mid-point error of ground points， and that the surveying and mapping results of highway strip topographic map with high accuracy can be obtained by using UAV aerial survey technology. It is suggested to further optimize the diversified surveying and mapping， automatic surveying and mapping， cost reduction， cooperative utilization of remote data and so on.

Keywords： UAV; aerial survey technology; highway strip topographic map; high definition surveying and mapping; accuracy

常用的公路帶狀地形圖像測量手段，有常規航空測量方法、GNSS RTK計量法、全站儀測量法等，但其中的GNSS RTK計量法和全站儀測量法都要耗費巨大的人工、資金，而且還無法對地勢復雜、建筑物密集的地段實現精確測定。相比較而言，雖然傳統航空指標法已經比較成熟，且使用也比較普遍，但其很易受天氣情況的干擾，且攝影時效較差，成本相對較高，因此，在此基礎上，發展了無人機航測技術，即使對于復雜危險的區域也可進行快速監測和地形圖繪制，保證準確度，并降低攝影成本，發揮巨大的優勢。

1" 工程概況

某一公路帶狀地形圖測繪工程位于云南東南部地區，其公路擬建路線全長為22.53 km，根據相關設計院提供的方案圖顯示，其作業范圍在中線兩邊各200 m區域。該線路的地理位置起點和終點分別在105°40'36″E，23°36'23″N和105°44'20″E，23°25'43″N。該公路的整條線路均處于山地區域，海拔最高約1 255 m，海拔最低約664 m，在公路的起點位置。該公路路段地形較為復雜，且分布較為廣泛，包括一般地形和隱蔽地形，地面存放物較多，有灌木、樹林、旱地和果園等各類植被，部分路段還存有密集的樹林，地面雜物過多，導致其沿線的交通并不便利，測繪工作存在難度。

2" 無人機航測技術在公路帶狀地圖測繪中的運用

無人機航測技術是在傳統航測技術基礎上的升級，可克服傳統航測的缺陷，在復雜區域或狹小區域內也可快速獲取高分辨率的影像信息。無人機航測技術結合無人機技術和數碼相機技術，使其在公路帶狀地圖測繪中發揮巨大優勢。無人機航測技術，一般用于低空飛行，申請空域程序便捷，速度更快，往往在工作過程中不會受到氣候的影響，對起降場地的要求也較低，可以有效監測到人工不能到達的區域，進行更全面的數據獲取。并且，無人機航測可提高數據獲取時效性，隨時進行拍攝工作并在短時間內完成。在監測過程中，基本不會受到過多限制，應對該項目中的復雜地形，也可進行高精確度的數據采集，保證成圖的質量，并可根據獲取的數據信息生成三維模型，更好地應用到公路帶狀地形圖測繪工作中[1]。其在該項目中的具體操作流程如圖1所示。

2.1" 控制測量

該公路線路的控制測量，主要使用全站儀和GPS設備，沿著線路5 km以下位置，在公路的上下兩邊分別布設了一個四等GPS控制點，并在控制點中間加設了距離為500 m以內的一條導線點。此外，在高程上布設四等電磁波測距高程導線。

2.2" 無人機航空攝影

無人機的航空攝影環節，主要用于選擇航路和控制飛機航飛。按照公路的實際情況，制定了合理的路線設計，共設置了4個架的行駛方式，并根據所要測量的具體路面長度，將每個架設為4條路線。在航飛控制系統方面，使用ZC-II作為民用無人機的飛行系統，采用YS九作為飛行控系統，并采用了Canon的EOS 5D Mark Ⅱ型單反相機，將其焦距調節為35.5 mm。根據氣候環境，確定最佳的航攝時間，控制航攝范圍，從橫向方面，保證無人機覆蓋成圖區域至少20%寬度的航帶，縱向方面則向外延伸出2條攝影基線，調節無人機航空拍攝的分辨率為0.12 m。

在無人機航空攝影結束后，對航攝影像和相關數據進行全面檢查，判斷其數據完整性和成像的質量。針對系統軟件的功能，可將全部獲得的航測影像數據導入到photoscan系統當中，排列影像的航點位置，保證其按照順序有序排列。航點排列方式一般為不間斷，通過檢查其連續性，可判斷分析是否存在漏片問題，若是出現此類問題，要及時對測量區域計算并分析其重疊度，若是計算結果不符合該區域的最低重疊度要求，則需對該區域補飛補測[2]。結合航空攝影記錄信息，將所得到的影像中，清晰度較低或準確度較低的影像篩選出來，如成像光線不足的或被云層遮蔽的，對其進行適當處理，保證全部區域的成像質量。

2.3" 像片控制點布設及測量

針對該項目線路特點，使用1.5 m的方形噴繪紙作為主要的控制點標志工具，將其按照黑白相間三角形圖案進行排列設計。由于公路處于較為復雜的地形，其中部分測量區域有密集的樹林，所以為提高檢測圖的準確性，在高速公路中點的臨近地段，提前對檢測控制位置進行了人工布標。

人工布標采用傳統的噴畫布，其上噴有2個黑白三角形，整體形成了4個黑白穿插的小三角形，整體規格為1.5 m×1.5 m正方形，以此保證后續的航拍精準度，保證照片清晰呈現。分別為線路的起點、架次交叉點和末端補刺的圖像控制點，共5個，并在此基礎上，完成了圖像控制點的測量工作。測試圖像控制器時，主要使用全站儀導線測試、GNSS靜態測試、GNSS RTK方法，以保證測試的效率，同時確保對圖像控制器測試的精準度。

2.4" 空三加密計算

無人機航測技術中，空三加密算法是數字化成位圖技術作業的核心，其關鍵就是根據像片內的像位位置信息和地面定向控制方法信息，利用照相檢測技術，對所測得區域的全部圖像中的外方位元素進行科學計算與解析，并在此過程中，經過對照相環節的簡單顛倒，重新形成測量所得到的立體幾何學模式，算出了地面物體在空中的外坐標位置。

圖像通過修改后，可以生成數字圖像，使框標位置殘差絕對值為0。通過邊框自動計算方法完成了內定向測量任務，在選定了像點的量測位置之后，著重考慮了大氣折光、主中心位置、大地彎曲和航攝儀五經畸變等因素可能會造成的系統誤差，進而判斷測量過程可能產生的誤差情況，并通過自檢校平差方法，將像點測量中的系統誤差消除。相對定向的過程中，確保各像點之間的連接效果，保證連接點在其中均勻分布，并確保各標準點位區都含有連接點。自動相對定位的過程中，確保各個像對連接點的數量超過30個。計算絕對定向和區域網平差時，將整體分為3個不同的區域進行，并對各區域進行接邊處理，以此完成空三加密計算。

2.5" 內業測圖

本工程主要是利用JX4-G數碼照相技術，開展的內業測圖項目。將利用全數碼照相的技術，完成立體數據資料的收集制作，并把所獲取的空三加密數據直接導入到立體像對當中。通過對全野外調繪地測圖的方式完成了內業測圖法，并對影響測圖工作，與實際現狀不合的地形雜物擱置，等得到測繪圖后，才能開展對田野的補測圖作業。同時利用側標切準圖，計算和測繪了公路等高線。測量傾斜路段的過程中，若是2個相鄰曲線間的距離較小，在測繪圖上呈現為小于5 mm的狀態，可只測繪其中的計曲線，插繪首曲線。在公路路段中，被植被遮蓋嚴重的地段，在進行測繪過程中，沿植被表面測繪區域應適當改變其高度。在隱蔽的路段區域或樹林密集地帶，應在測繪過程中參考野外高程點及立體模型，2次讀取高程標記點，其中較差的一次為0.4 m，取2次讀數的中數位0.1 m，做好標記。在標記過程中，注意將高程標記點標記在具有特點的地物或地形上，控制其圖上的密度約為每13個占100 cm2，在變化較大的區域點，適當增加標記點的個數，以作突出標記。將測繪范圍內本身清晰獨立的地物，準確在測繪圖上標記出來，如通信線、電力線、光纜、電纜和地面架空管線等[3]。在測繪圖上，將房屋建筑相關結構的數量、層數等明確標記，將植被劃分成用材林和經濟林2部分進行單獨標記，并分別標記出果園、荒地、旱地等土地部分。在公路帶狀地圖測繪中，還需明確標記出其中的山谷、河流、村鎮、水系、文物保護區、管線和水庫等重點區域。最終，將矢量地形圖在南方CASS軟件的作用下轉換為測繪圖所需的格式地形圖。

2.6" 外業調繪及精度檢查

在以上所打印出的地形圖紙質圖上進行外業調繪工作，嚴格按照相關規范標準進行，全方位進行航攝成圖的實地全野外屬性調繪，并根據實際調繪情況，進行對應的補測和修測工作。本項目的調繪工作利用數字化技術進行，其具有測量精度高、測量效率高等優勢。在數字化調繪下，保證基本無誤差的打點效果，保持較小的正射影像接邊差，并提高影像的清晰度；迅速完成影響匹配工作和相對定向作業；在系統內，將自動化和交互處理2項工作分開設置，提高測量的便捷度，保證測量工作的連續性，避免出現無法處理的問題；并且，在數字化調繪的較大應用范圍和適用性下，保證對影像信息的準確分類，提高輸出質量。在補測與修測工作全部完成后，根據實際修改相關數據，保證測繪成圖的精確度。

3" 未來展望

3.1" 多元化測繪

在公路帶狀地形圖測繪領域，多元化測繪可以為交通設計、公路施工和維護等方面提供更加全面、可靠的數據支持。目前，隨著無人機航測技術的不斷發展和普及，多元化測繪已經成為公路帶狀地形圖測繪的重要趨勢。無人機可以搭載多種傳感器，實現多角度、多波段、多源數據采集。經過數據處理和分析，可以獲得全面、豐富、準確的公路帶狀地形圖數據。未來，隨著科技的不斷進步和創新，多元化測繪在公路帶狀地形圖測繪中的應用將不斷拓展和深化。例如，可以利用云計算和人工智能等先進技術，實現數據自動處理、二次加工和數據挖掘，提升地圖測繪的效率、精度和全面性。同時，也可以更加注重數據的標準化和共通性，促進數據的共享和共用，實現資源的最大化利用，推動公路帶狀地形圖測繪技術的進一步發展和應用。

3.2" 全自動測繪

全自動測繪可以為交通設計、公路施工和維護等方面提供更加準確、高效和可靠的數據支持。當前，隨著信息技術的不斷發展和普及，自動化測繪已經成為公路帶狀地形圖測繪的重要趨勢。無人機全自動測繪所應用的主要技術如圖２所示，例如，通過人工智能等技術，可以實現對數據的自動識別、自動處理、自動上傳，從而大幅提高效率和準確度。

未來，隨著自主導航、傳感器、人工智能等技術的不斷普及和發展，全自動測繪將成為公路帶狀地形圖測繪的重要發展方向。不僅如此，還可以結合區塊鏈技術，實現數據共享和保護，增強數據的可靠性和安全性。同時，全自動測繪還將提高地圖測繪行業的智能化水平，實現數據的實時、動態、立體化管理，促進地圖測繪信息服務的升級和創新發展，為交通建設和管理等方面提供更加科學、精準、可靠的數據支持。

3.3" 成本的降低與效率的提升

隨著無人機航測技術的不斷普及和進步，一方面，從長遠的角度來看，無人機已經能夠開展成本相對低廉的測繪工作，而傳統的人工測繪變得逐漸弱化。特別是在數據處理和分析方面，利用云計算和分布式計算等技術，可以大幅提高數據處理的效率和精度，降低數據處理的成本和時間。未來，隨著技術的不斷進步和成熟，無人機的使用將會進一步降低使用成本。在這一過程中，無人機航測技術將會更好地融合其他新技術，如人工智能、大數據等，以實現全方位高精度的數據采集和分析，大幅降低測繪成本，從而能夠更好地服務于公路建設和交通管理。此外，積極使用新技術還可以促進設備的智能化更新和升級，降低故障率，延長使用壽命，從而降低維修和更換設備的成本，提高設備的社會效益和經濟效益。同時，基于其他新技術輔助得出的數據，可以更加科學地評估公路的運營狀況和安全性，為公路設計和管理的降本增效提供重要依據。

另一方面，新技術的使用不但能夠有效降低成本，還可以縮短測量時間，提高測量效率。以某1.1萬m2的測繪工程為例，精細化管理前后測繪成本與時間的降低情況見表1。

與其他技術進行結合，將現有的公路使用狀況數據與地形測繪數據結合起來，建立智能化的預測模型，實現公路建設和管理的精準化和智能化。同時，無人機航測技術還可以與虛擬現實和大數據分析等進行結合，實現對公路建設和管理全程的跟蹤和監測，使相關工作的效率得到有效提升。總之，基于無人機航測技術的公路帶狀地形圖測繪是實現公路管理和規劃精細化智能化的重要手段。利用這些數據，可以更加全面、準確地分析公路存在的問題，優化公路設計和管理標準，提高公路的使用效益和經濟性。

3.4" 多源數據的協調利用

衛星影像、GPS數據、車載傳感器等多源數據可以為采集到的遙感數據提供更加豐富的空間、時間、環境等背景信息。結合這些數據，可以深入分析公路使用情況、交通狀況、地形地貌變化等情況。例如，可以對公路的運營狀況進行綜合評估，及時發現道路問題并進行處理；還可以通過精準的地形地貌分析，設計出更加科學合理的公路線路，提高公路建設和使用效益。隨著智能化技術的不斷發展，多源數據的融合分析將更加充分、細致。未來，可以利用更加先進的數據處理技術和智能化分析模型，實現公路建設和管理的精準化和智能化。就此而言，無人機航測技術與多源數據融合分析將會是公路建設和管理領域不可或缺的一部分。

4" 結束語

綜上所述，在公路帶狀地形圖測繪當中，無人機航測技術能夠發揮其功能優勢，很大程度上提高測繪的質量和效率，為地形圖的繪制提供更為準確、豐富、客觀的數據信息，提高地形圖的精細度，又可降低該工作過程中的成本消耗。通過實踐證明，無人機航測技術在地形復雜、環境相對惡劣的公路帶狀地形測繪中，也能夠基本滿足要求，適應性和可行性較強，可加強對該技術的優化和進一步推廣應用。

參考文獻：

[1] 黃語生.無人機航測在公路帶狀地形測量中的應用[J].交通世界，2022（34）：45-48.

[2] 劉亞楠.無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用分析[J].工程建設與設計，2020（16）：234-235.

[3] 魏林金.無人機航測技術在高速公路帶狀地形圖測繪中的應用[J].現代測繪，2018，41（2）：13-15.

作者簡介：邵維貴（1988-），男，工程師，注冊測繪師。研究方向為控制測量、工程測量、測繪航空攝影及無人機航測。