魏林金

(江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330052)

0 引 言

地形圖是公路勘察設計中必不可少的資料。目前，大比例尺公路帶狀地形圖測量方法主要有全站儀測量、GPS RTK測量以及傳統(tǒng)航空攝影測量法。全站儀測量和GPS RTK測量需要投入較多人力、物力，在地形復雜、植被茂密、建筑密集地區(qū)難以施測，且測量周期長，進而導致工程效率低、成本高。傳統(tǒng)航空攝影測量雖然技術成熟、應用廣泛，但對天氣和機場條件的依賴性大、成本較高、攝影周期較長[1]。

近年來，輕型無人機(UAV)技術得到了較快發(fā)展，基于無人機平臺的航測技術已有較強優(yōu)勢。由于無人機具有機動靈活、影像分辨率高、現(xiàn)勢性強、使用成本低等特點，其在測繪行業(yè)的應用得到日益關注。本文通過實例闡述了無人機航測技術在1∶2 000地形圖測繪中的應用情況以及相關注意事項，為無人機航測技術在公路帶狀地形圖測繪中的應用提供生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。

1 無人機航測系統(tǒng)介紹

由飛行器系統(tǒng)、測控及信息傳輸系統(tǒng)、信息獲取與處理系統(tǒng)、保障系統(tǒng)4個部分構成了無人機空間信息采集完整的工作平臺。用于航測的無人機主要有固定翼無人機和旋翼無人機：固定翼無人機續(xù)航時間長、載重量大，適合大面積、遠距離測繪任務；旋翼無人機續(xù)航時間短、載重量適中、具有可懸停優(yōu)點，適合小范圍、定點的測繪任務。

江西省交通設計研究院有限責任公司(以下簡稱設計院)承接了一條全長約80 km的擬建高速公路1∶2 000帶狀地形圖測繪任務。結(jié)合公路地形圖帶狀分布特點，此次航測使用了IRSA(中遙)Ⅱ型固定翼無人機(表1)。

表1 IRSA Ⅱ型無人機技術參數(shù)

此次搭載的航測相機為尼康D800，像幅大小為7 360×4 912，相機焦距為35 mm，像元分辨率為4.9 um，有效像素為3 630萬，快門速度1/8 000 s。相機使用前經(jīng)檢校，獲取了內(nèi)方位元素和構像畸變校正系數(shù)等參數(shù)，以供后續(xù)影像數(shù)據(jù)處理使用。結(jié)合本次航飛區(qū)域情況及1∶2 000地形圖精度要求，在保證飛行質(zhì)量及效率前提下，設計攝影比例尺約1∶20 000，相對航高700 m，像片航向重疊度80%，旁向重疊度60%，像片傾斜角≤5°(個別最大≤12°)，像片旋偏角≤15°。

2 生產(chǎn)技術流程

無人機航測的生產(chǎn)技術流程由航飛設計開始，采用“外—內(nèi)—外—內(nèi)”方式進行作業(yè)(圖1)。

(1)利用無人機完成航空攝影后，通過外業(yè)進行像片控制測量。

(2)利用像控資料和相應航攝資料進行空中三角測量、立體測圖。

(3)依據(jù)內(nèi)業(yè)測繪成果完成外業(yè)調(diào)繪和補測。

(4)根據(jù)外業(yè)補測調(diào)繪完成成果編輯，制作DEM和DOM，匯總成果提交。

圖1 無人機航測生產(chǎn)技術流程

3 應用實例

3.1 攝區(qū)概況

項目作業(yè)區(qū)位于江西省西北部，地貌有低山、丘陵和崗地、盆地及沖洪積河谷等，且以丘陵和崗地兩者居多，地形起伏較大，部分地區(qū)樹林密集，通視情況較差，沿線最高海拔約668 m，最低海拔約76 m。作業(yè)區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和、四季分明、陽光充足、雨量充沛，年降水量的40%—50%集中在第二季度。

擬建高速公路推薦路線全長約80 km，設計標準為雙向四車道，設計速度80 km/h，路基寬度24.5 m。作業(yè)范圍是依據(jù)設計院提供的1∶50 000路線總體方案布置圖中推薦線和比較線兩邊各200 m寬度內(nèi)的區(qū)域。本任務包括使用無人機對攝區(qū)約200 km2區(qū)域進行地面分辨率優(yōu)于0.2 m的數(shù)碼航空攝影，并進行約42 km2區(qū)域的1∶2 000數(shù)字線劃圖DLG制作。

3.2 無人機航空攝影

根據(jù)無人機的作業(yè)能力和路線走向進行航線設計，共設計飛行7個架次，每個架次根據(jù)線路測量寬度要求飛行若干條航線。在每個架次飛完后及時檢查影像拍攝質(zhì)量，需按原設計要求及時補攝出現(xiàn)的相對漏洞和絕對漏洞。對不影響內(nèi)業(yè)加密模型連接的相對漏洞，可只在漏洞處補攝，補攝航線的長度應超出漏洞之外1條基線?？刂坪骄€如其本身出現(xiàn)局部相對漏洞或其他缺陷，在不影響整條航線內(nèi)業(yè)加密選點和模型連接的情況下可不補攝。凡需要補攝時，整條航線應重攝(圖2)。

圖2 無人機航線示意圖

3.3 像片控制點布設與測量

像控點布設采用區(qū)域網(wǎng)布點法，全測區(qū)按飛行架次與地形條件劃分為若干網(wǎng)區(qū)。對兩條及兩條以上平行航線布設平高控制點，每對像控點相距不超過4條基線，且分布在標準點位處。在不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)中，為提高像控點加密精度，在區(qū)域網(wǎng)的凹角處增補高程點，凸角處增補平高點。當凹凸角之間距離超過2條基線時，凹角處亦布置平高點(圖3)。

圖3 不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點

測區(qū)內(nèi)已建立四等GPS控制網(wǎng)，像控點聯(lián)測采用GPS實時動態(tài)定位(RTK)方法進行測定?？紤]到測區(qū)地形較為復雜，為保證加密點質(zhì)量，對高程控制點也需測定其平面坐標。

3.4 空中三角測量與立體測圖

本次空三加密使用適普的Virtuozo AAT自動空中三角測量軟件和PATB軟件。Virtuozo AAT軟件除了半自動量測控制點以外，其他所有作業(yè)(包括內(nèi)定向、加密點選取、加密點轉(zhuǎn)點、相對定向、模型連接、區(qū)域網(wǎng)構建以及加密點成果整理等)都可自動完成。PATB是目前世界上應用最為廣泛的光束法區(qū)域網(wǎng)平差軟件包，該軟件理論嚴密，具有先進的出差檢測算法，可獲得高精度平差結(jié)果。將兩者結(jié)合使用，最終可得到空三加密成果。

立體測圖使用適普的VirtuozoNT全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，采取“所見即所得”方式獲取，可直接利用空三加密成果，恢復立體模型，進行全要素采集。

3.5 外業(yè)調(diào)繪

利用內(nèi)業(yè)采集的線劃圖套合影像圖按一定比例尺打印成紙質(zhì)圖進行外業(yè)調(diào)繪和補測。作業(yè)應嚴格按照《公路勘測規(guī)范》(JTG C10—2007)、《公路勘測細則》(JTG/TC10—2007)相關要求執(zhí)行，對航測成圖進行實地全野外屬性調(diào)查，并補測室內(nèi)測圖遺漏或不可見的地物，如地下管線和涵洞等。

3.6 項目精度統(tǒng)計

根據(jù)設計院施工圖階段道路中線的實測地面高程進行高程精度統(tǒng)計：共抽取1 000個點，將外業(yè)實測數(shù)據(jù)與地形圖讀取高程數(shù)據(jù)做比較分析，得出高程中誤差為1.53 m，最大誤差為4.6 m。其中，小于等于1倍中誤差的占75.2%，介于1倍中誤差和2倍中誤差之間的占20.5%，大于2倍中誤差的占4.3%(圖4)。因平面精度一般可以達到，因此沒有做平面精度檢測。通過分析可以看出，在此項目中，高程中誤差沒有達到精度要求，導致后期公路、橋梁設計仍需依賴大量外業(yè)修補與改正，影響了生產(chǎn)效率。

圖4 高程誤差分布區(qū)間

4 結(jié) 語

(1)結(jié)合工程實例介紹了無人機航測技術在高速公路帶狀地形圖測繪中的應用情況。盡管目前國內(nèi)無人機技術在測繪行業(yè)有了很大推廣應用，但大都只是生產(chǎn)制作DOM和DEM，對大比例尺DLG的生產(chǎn)只在一些地勢較為平坦的地區(qū)做過小面積實驗，很少有大范圍實際生產(chǎn)應用，特別是在山區(qū)等一些地形起伏較大、植被覆蓋密集的區(qū)域，飛行試驗并不多，且精度較平坦地區(qū)要低。

(2)無人機航測技術應用于公路地形圖的生產(chǎn)存在不確定性，在很多關鍵技術上有待進一步提高。因此建議在大范圍、地形相對復雜的公路帶狀地形圖測繪中，利用無人機航測技術進行地形圖生產(chǎn)應盡可能使用傳統(tǒng)大飛機，而在大飛機不便或無法完成的情況下由無人機代替。

[1] 魏方震，武少豐，吉世鵬，等.天寶UX5無人機航測系統(tǒng)在公路勘察設計中的應用[J].測繪通報，2005 (3):138-139.

[2] 張惠均.無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J].測繪科學，2013,38(3):100-105.

[3] 崔書珍，周金國.無人機航攝系統(tǒng)在1∶1 000地形圖測繪中的應用[J]. 地礦測繪，2014,30(4):29-31.

[4] 王鳳國，胡潤強.無人機航測技術的應用實踐及可行性分析[J].甘肅科技，2014,30(6):34-36.