无人机公路测绘技术现状及应用
时间：2023-06-08 21:20:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
吴聚伟
（广东省地质局第三地质大队，广东 惠州 516081）
无人机公路测绘技术是以飞行的无人机作为空中搭载平台，在特定的观察测绘路线下从不同的角度对公路工程的带状地形进行测绘建模的一种实用信息化测绘技术。同时，相比于以往传统技术模式下的测绘成果，无人机公路测绘技术的大比例地形勘测可以更加直观地描述工程用地及周边地区的地貌特点，这对于公路地质灾害分析以及公路养护测绘等方面来说，均有着极为重要的应用意义。
无人机公路测绘技术，主要是指在公路工程的地表三维测绘建模中，利用搭载着CCD高分辨率测绘航拍相机以及激光扫描仪、测距仪等信息化测绘设备的无人机，在空中合适的测绘拍摄角度，以无人机遥感控制的方式收集公路工程的地貌、地物与地貌信息。而后等到无人机回收后，再利用计算机上的测绘软件来将无人机拍摄收集的测绘图像信息进行综合处理，按照公路工程需要的精度条件来生成测绘成果图。它在拍摄测绘成图的方式上与传统航空测绘技术有些类似，但二者的具体成图原理稍有差别。传统航空测量只能执行固定的测量路线，且往往只能以垂直拍摄的角度来拍摄地物信息，因此对于公路工程这种地物信息较为复杂的测绘对象来说，往往很难满足具体的测绘精度要求[1]。而无人机公路测绘技术是依靠多个传感器以垂直、侧视等不同的拍摄角度收集地物信息的，因此，理论上它比传统航空测绘技术的精度要高许多。
结合以往的测绘项目实例进行分析，在公路工程中应用无人机测绘技术的优势主要体现在如下几个方面。
3.1 测绘手段灵活
传统的公路测绘技术需要面临这样的问题，无论是公路工程的纵横断面测绘还是地形水准测绘，在布设测站控制点时，都会遇到障碍物遮挡观测视野，或理想测点位置无法到达的问题，因此，需要不断地调整设计外业测量方案，直至所有控制点与观测站均满足观测基本要求为止。这样的测绘手段不仅丝毫不具备效率优势，且极容易因测站、控制点位的调整产生精度偏差，影响最终的测绘成图质量[2]。而以空中搭载遥感设备的方式进行工程地物的测绘，无论是测点平面坐标还是飞行高度都可以人为控制，这主要得益于无人机低能耗与体积小巧的特点。当前阶段被投入测绘用途的无人机产品，其飞行高度与飞行路线是可以通过自动巡航或人工操作来控制的，既可以在较高的空域飞行，也可以进行低空飞行，这样就可以很好地解决测绘项目场地外业测区条件不理想的问题。
3.2 测绘精度高
无人机公路测绘技术的最终成图效果与搭载遥感设备自身的精度水平有着很大关联，只有使用高分辨率的遥感拍摄设备，才能确保无人机公路测绘的成图精度。而如今业内经常使用的主流测绘设备，可以轻松实现自动化三维建模功能，通过直接测量得到附带空间地理信息的可量测图像数据。同时，还支持DSM、TDOM、DLG与DOM等高精度数字工程模型数据的输出，具有极高的测绘成图质量。
无人机公路测绘技术是测绘行业朝向信息化、智能化转型发展的关键标志，尽管具有多种技术优势与成本优势，但当前无人机测绘技术还并未在我国公路工程测绘中形成一定的普及应用规模。当前公路工程测绘使用的无人机以小型尺寸机型居多，在进行拍摄与数据获取的过程中，主要任务是收集拍摄图像的GPS坐标数据以及飞行数据。而在拍摄图像信息与数据的拟合过程中，经常会出现因地面起伏导致叠合率不高的问题。出于荷载、功耗、体积、质量等因素的考虑，当前使用的无人机飞行器设计中缺乏可靠的空中测距设备与技术支持。为满足飞行灵活性的需求，小型无人机含搭载设备仅有2.7～5.5 kg重，因此，它无法像传统航空遥感测绘技术那样机载无线电测距设备，这是无人机GPS数据生成的误差主要来源。
5.1 测绘项目简介
广东省某地存在一高速公路工程，全长约52.4 km，宽度约为23 m，其中道路长度为24 km线长部分为平原路段，28.4 km线长为山区路段，地势起伏错落，山区路段与平原路段的最大高差为550 m。该地规划于2019年6月对原有公路进行改扩建施工，而在公路线形设计，需要结合公路工程的地物信息情况以及周边地貌信息来综合制定。通过前期的外业勘查发现，工程所处位置实测条件不理想，存在多处自然树林、围岩结构等遮挡障碍。因此，根据公路改扩建工程的设计意图，计划采用CORS系统来完成空间位置坐标参数的转换，在公路工程利于无人机拍摄测绘的地点进行刺点处理，采用“倾斜拍摄成图+激光三角测距”的方法来形成高精度测绘模型图。
5.2 确定无人机测绘飞行线路
该公路测绘项目中，无人机的测绘飞行路线主要是根据CH/Z 3005—2010《低空数字航空摄影规范》（项目当时施行规范）要求，使飞行器的拍摄倾角与水平成15°以上的夹角。为了确保无人机拍摄拼接的图像模型满足工程设计需求，使用的机载拍摄设备成像像素水平均在3 500万以上，同时还需要从相机的影像能力、作业时间、曝光性能以及POS记录等功能因素来选择合适的设备型号。在此基础上，首先需要对无人机测绘的飞行线路进行设计。在高度选择上按照式（1）进行计算：
式中，H为无人机的航拍高度，m；
f为航摄设备的镜头焦距，m；
GSD为地面分辨率，是无人机测绘项目中可以区分两个临近测绘地物的最小距离，m；
α为像元尺寸，是构成无人机测绘扫描数字化图像的最小采样点，m。
经过相关的外业勘查信息输入，计算得到该测绘项目的拍摄高度为680 m[3]。确定了拍摄高度后，只需要确保测绘路线具备设备90 min全天候作业条件，并确保地物对象的航拍图像满足重叠度要求即可。根据规范要求，无人机低空测绘成像的航向重叠度应当为60%～80%，旁向重叠度不应低于15%，倾斜摄影时传感器旁向重叠度不应低于53%。航向重叠度越高，则相同区域的公共像素数据量信息也就越大，测绘模型的生成就读才会越高。
5.3 空中三角测量法降低拍摄测绘误差
为了进一步降低航摄误差，该测绘项目采用了空中三角测量法。首先如图1所示，在四周无遮挡的场地上做出像片刺点，刺点是空中三角测量法所选取的测距基准参考像素点，尽可能选择黑白相间的醒目地表图案来作为无人机航摄传感器的识别影像。在刺点的尺寸选择上，需要以测绘成像的实际分辨率为准，根据该测绘项目选用的航摄设备地面分辨率，地面刺点标志的尺寸大小应当为600 cm×600 cm或以上。
图1 无人机公路测绘的刺点标志例图
而后采用激光三角测距仪与立体测图仪来将一条航线上所拍摄的所有像片按照其各自的生成顺序进行排序与定向，并在每两组相邻影像中找到公共的刺点标志，将模型依次首尾相连，构成如图2所示的航摄控制网格。航摄控制网格形成要求外业测绘现场至少具备6个以上由刺点标志构成的作业控制点，其中控制点位的数量越多，空中三角测量体系的精度就越高，但相应地作业成本与作业任务量也就会越多。在排列空中三角测量航摄像片时，需要注意在同一个控制网格内，像片必须要经过等比缩小，而后通过基线内线与向外安置，对加密点进行左右视图的转换，以此来消除图像畸变给网格带来的误差影响。
图2 航摄控制网格示意图
在该控制网格体系内，任意一点的点坐标都是相对于航摄镜头的中心点P散出的结构光测距方法得出的，即使该点不在控制网格的基准平面以内，也可以由三角测距的方法来求出。
综上所述，无人机公路测绘技术是无人机航摄技术的延伸，它既不用像传统工程测绘技术那样受到测绘的自然地貌条件限制，也无须航空测量那样花费较高的经济成本，具有机动灵活、作业成本低廉、生产周期极短等特点。在公路设计中应用无人机测绘技术，可以最大限度地消除障碍地貌对观测地物的干扰影响，同时还能显著提高施测效率。而提高无人机测绘模型成图的精度，需要在合理规划航摄路线的前提下，综合空中三角测量法，进一步建立起空中测绘作业的控制网格，以此保证数字化航摄测绘像片接合生成的模型数据精确、校正良好。
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