秦 陽(yáng)， 何廷全， 張珊珊， 潘 前

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司， 南寧 530000； 2.東北林業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150040)

賀巴高速公路建設(shè)項(xiàng)目位于廣西中西部，區(qū)域地形呈西北向東南傾斜狀，具有局部地形復(fù)雜，不良地質(zhì)發(fā)育，且隱蔽性大等特點(diǎn)，無(wú)論對(duì)于外業(yè)數(shù)據(jù)采集還是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理都有一定的難度。傳統(tǒng)高速公路項(xiàng)目建設(shè)數(shù)據(jù)測(cè)量，一般利用全站儀、GPS等設(shè)備單點(diǎn)式測(cè)量方式獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[1]，需要工作人員攜帶儀器到相應(yīng)區(qū)域測(cè)量完成，作業(yè)強(qiáng)度大，效率低，且在地勢(shì)復(fù)雜區(qū)域操作危險(xiǎn)性高[2]。因此，外業(yè)測(cè)量中數(shù)據(jù)采集的方式亟待改進(jìn)。

無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)也獲得了迅猛發(fā)展，在氣象、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域均有相關(guān)應(yīng)用[3]。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。有利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)礦山儲(chǔ)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明使用無(wú)人機(jī)航空攝影采集對(duì)礦山儲(chǔ)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)所耗費(fèi)的時(shí)間相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式大大降低，并能夠準(zhǔn)確、高效地計(jì)算出礦山動(dòng)用儲(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4-6]；也有利用無(wú)人機(jī)攝影采集技術(shù)對(duì)高速公路陡峭復(fù)雜地形路段進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，并整合處理生成邊坡實(shí)景三維模型，通過(guò)數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路邊坡滑坡、坍塌、落石等災(zāi)害場(chǎng)景的識(shí)別與測(cè)量分析[7-8]；李博等[9]介紹了一種利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行土方計(jì)算的方法，并從地面控制點(diǎn)、點(diǎn)云分類(lèi)方法和非地面點(diǎn)高程等因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明利用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行土方計(jì)算，不僅能簡(jiǎn)化外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作流程、降低生產(chǎn)成本，還能一定程度上提高計(jì)算精度；劉光偉等[10]在高寒地區(qū)露天礦的特殊環(huán)境下對(duì)無(wú)人機(jī)移動(dòng)測(cè)量進(jìn)行適用性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明無(wú)人機(jī)移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)可滿(mǎn)足礦方測(cè)量驗(yàn)收的實(shí)際需求。對(duì)高速公路建設(shè)項(xiàng)目而言，應(yīng)用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)一方面可降低外業(yè)工作強(qiáng)度，提高工作效率和安全性，另一方面還能精準(zhǔn)地獲取項(xiàng)目場(chǎng)地全面、完整的三維數(shù)據(jù)。但目前大多數(shù)研究集中于無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)在復(fù)雜地形區(qū)域應(yīng)用的技術(shù)方法或總結(jié)出規(guī)律性結(jié)論，而無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置適用性及其效果的研究較少，對(duì)于無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)化、一體化、智能化應(yīng)用需要進(jìn)一步研究。

1 賀巴高速公路無(wú)人機(jī)適用性選型

經(jīng)過(guò)科技的發(fā)展與進(jìn)步，目前無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的種類(lèi)繁多。為了保證采集到的數(shù)據(jù)有效可靠，必須對(duì)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)合理選型。賀巴高速公路項(xiàng)目無(wú)人機(jī)飛行智能化測(cè)量系統(tǒng)主要用于地面數(shù)據(jù)采集、工程量計(jì)算、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、巡檢管理等工作。本項(xiàng)目針對(duì)工作項(xiàng)目?jī)?nèi)容及所處地形環(huán)境特點(diǎn)，從無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)性能、作業(yè)流程、測(cè)試效果、飛行技術(shù)成熟度及可推廣性等多個(gè)維度對(duì)大疆各個(gè)系列無(wú)人機(jī)設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同型號(hào)無(wú)人機(jī)基本性能對(duì)比

鑒于高速公路建設(shè)項(xiàng)目野外工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)無(wú)人機(jī)定位精度要求高，結(jié)合多輪現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果，本項(xiàng)目最終確定使用大疆經(jīng)緯M210 RTK V2無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)并搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，對(duì)無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)適用性進(jìn)行研究。

2 賀巴高速公路無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)

2.1 測(cè)區(qū)范圍

選取賀巴高速公路來(lái)賓至都安路段TJ1-2/ZK100+860～ZK100+975標(biāo)段左側(cè)5級(jí)路塹邊坡為測(cè)試區(qū)域。測(cè)區(qū)線(xiàn)路長(zhǎng)115 m，以深挖方的形式通過(guò)，形成路塹高邊坡，最大坡高為50 m，坡體開(kāi)挖后地應(yīng)力調(diào)整大，工作環(huán)境復(fù)雜，為便于無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試研究，選取的測(cè)區(qū)面積大小及地形形態(tài)應(yīng)滿(mǎn)足測(cè)試要求。

2.2 地面控制點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

采用中海達(dá)V6 GPS-RTK測(cè)量?jī)x進(jìn)行地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，根據(jù)該邊坡地形地貌特點(diǎn)，利用三角形紅紙標(biāo)識(shí)樣式作為航測(cè)地面控制點(diǎn)，并保證地面控制點(diǎn)的上方無(wú)遮擋物，2次測(cè)試地面控制點(diǎn)分布如圖1所示。圖1中深色方塊位置示意地面控制點(diǎn)布置位置。每布設(shè)一個(gè)地面控制點(diǎn)，即用GPS-RTK移動(dòng)站測(cè)量標(biāo)靶板中心點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)量過(guò)程中確?；鶞?zhǔn)站與移動(dòng)站之間的信號(hào)通訊正常，同時(shí)在原始記錄表上記錄坐標(biāo)值。

(a) 第1次測(cè)試地面控制點(diǎn)分布

2.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)飛行試驗(yàn)

采用大疆經(jīng)緯M210 RTK V2型號(hào)無(wú)人機(jī)在測(cè)區(qū)進(jìn)行了2次飛行試驗(yàn)，主要用于無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)在獲取高邊坡坡口線(xiàn)、坡率、坡高、平臺(tái)寬等幾何尺寸數(shù)據(jù)以及獲取邊坡的外觀(guān)病害等工作任務(wù)的適用情況。

2021年6月、11月分別進(jìn)行了無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試，測(cè)試任務(wù)為采集TJ1-2/ZK100+860～ZK100+975標(biāo)段左側(cè)5級(jí)路塹邊坡影像數(shù)據(jù)，完成情況良好。飛行測(cè)試主要航測(cè)參數(shù)如表2所示。

表2 飛行測(cè)試主要航測(cè)參數(shù)

2.4 航拍數(shù)據(jù)處理及成果

2.4.1 基于無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)高邊坡三維重建

利用無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高速公路高邊坡三維重建，主要包括以下步驟[11-12]：

1) 初始化處理。對(duì)相機(jī)校正參數(shù)、特征點(diǎn)提取與匹配效果、影像數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行檢查，剔除無(wú)效影像，通過(guò)對(duì)航攝圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取與匹配，生成稀疏三維點(diǎn)云。

2) 像控點(diǎn)刺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)地面控制點(diǎn)刺點(diǎn)，可將地面控制點(diǎn)三維坐標(biāo)信息輸入到處理工程中，用于區(qū)域網(wǎng)平差方程解算。

3) 空三加密。通過(guò)地面控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，求解相片的內(nèi)方位元素和外方位元素，進(jìn)而得到物方各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4) 三維模型生成及自動(dòng)紋理映射。在三維點(diǎn)云加密的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維網(wǎng)格紋理重構(gòu)，生成三維模型并進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，最終形成高邊坡實(shí)景三維模型。

采用Pix4D Mapper航空影像數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)無(wú)人機(jī)航拍的圖像進(jìn)行影像處理，無(wú)需人工干預(yù)，大大地提高了工作效率。

2.4.2 基于無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)高邊坡數(shù)字成果

1) 數(shù)字表面模型DSM(Digital Surface Model)。多視影像密集匹配后可生成DSM，涵蓋了除地表以外的其他構(gòu)筑物、樹(shù)木等高程信息，能夠真實(shí)表達(dá)地面起伏情況。可用于繪制等高線(xiàn)、坡度、坡向及正射影像圖等。

2) 數(shù)字正射影像圖DOM(Digital Orthophoto Map)。數(shù)字表面模型生成后，可利用已有的模型制作數(shù)字正射影像。利用航空相片、遙感影像，經(jīng)像元糾正，按圖幅范圍裁切生成的影像數(shù)據(jù)。信息豐富直觀(guān)，具有良好的可判讀性和可量測(cè)性?？捎糜谀恳暸袆e地表情況，量取長(zhǎng)度、面積等幾何信息。

3) 三維點(diǎn)云與模型。通過(guò)測(cè)量?jī)x器得到的物體外觀(guān)表面的點(diǎn)數(shù)據(jù)集合稱(chēng)為點(diǎn)云，根據(jù)攝影測(cè)量原理得到的三維點(diǎn)云與模型，包括三維坐標(biāo)和顏色信息。可用于提取目標(biāo)構(gòu)筑物尺寸及空間位置等信息[13-15]。

3 高速公路高邊坡尺寸數(shù)據(jù)計(jì)算及精度分析

3.1 基于三維實(shí)景模型高邊坡尺寸數(shù)據(jù)計(jì)算

利用Pix4D Mapper軟件對(duì)無(wú)人機(jī)采集到的高邊坡影像進(jìn)行處理，生成高邊坡三維實(shí)景模型，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，從ZK100+900橫斷面起，沿邊坡縱向按20 m間距選定3個(gè)橫斷面，樁號(hào)分別為ZK100+900、ZK100+920、ZK100+940，并提取出3個(gè)橫斷面的三維坐標(biāo)和幾何尺寸。通過(guò)登陸無(wú)人機(jī)智能化數(shù)據(jù)管理平臺(tái)可查看上述各個(gè)橫斷面的坡率、坡高及平臺(tái)寬等相關(guān)信息，以此來(lái)判斷是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.1.1 坡率

根據(jù)橫斷面上的設(shè)計(jì)中線(xiàn)和邊線(xiàn)的坐標(biāo)，在高邊坡實(shí)景三維模型中畫(huà)出橫切面，如圖2所示切面，并在橫切面旁邊的各級(jí)坡面上畫(huà)出平行于橫切面的直線(xiàn)，如圖2所示標(biāo)記線(xiàn)段，獲得直線(xiàn)的地形三維長(zhǎng)度(斜長(zhǎng))及投射二維長(zhǎng)度(水平投影長(zhǎng))。以圖2所示斷面樣例為例，斜長(zhǎng)為13.21 m，水平投影長(zhǎng)為10.04 m，通過(guò)勾股定理可計(jì)算出該直角三角形的高度為8.59 m，進(jìn)而計(jì)算出坡率i=8.59/10.04=1∶1.17。

圖2 坡率計(jì)算

3.1.2 坡高

在橫切面旁標(biāo)記出各級(jí)邊坡的坡頂點(diǎn)和坡腳點(diǎn)，獲取各點(diǎn)的高程，如圖3所示。通過(guò)計(jì)算坡頂點(diǎn)和坡腳點(diǎn)的高程差，最終獲得坡高。以圖3所示標(biāo)記點(diǎn)為樣例的一處坡頂點(diǎn)，其高程為173.99 m。

圖3 坡頂或坡腳點(diǎn)的高程獲取

3.1.3 平臺(tái)寬

在橫切面旁邊，分別畫(huà)出平行于橫切面的各級(jí)平臺(tái)寬直線(xiàn)，如圖4所示標(biāo)記線(xiàn)段，直線(xiàn)2個(gè)端點(diǎn)分別為上一級(jí)邊坡的坡腳點(diǎn)和下一級(jí)邊坡的坡頂點(diǎn)，獲得的投射二維長(zhǎng)度即為平臺(tái)寬，圖4樣例中平臺(tái)寬為9.17 m。

圖4 平臺(tái)寬的獲取

3.1.4 獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果

按照上述坡率、坡高及平臺(tái)寬的數(shù)值獲取步驟，經(jīng)計(jì)算各級(jí)橫斷面數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

表3 無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)獲取切面參數(shù)

通過(guò)查找無(wú)人機(jī)智能化數(shù)據(jù)管理平臺(tái)得到一至四級(jí)橫斷面的設(shè)計(jì)坡率為1∶0.75、五級(jí)設(shè)計(jì)坡率為1；設(shè)計(jì)坡高為10 m；設(shè)計(jì)平臺(tái)寬為2 m。由此可發(fā)現(xiàn)3處斷面整體削坡參數(shù)雖與設(shè)計(jì)參數(shù)有輕微差異，但符合高速公路高邊坡建設(shè)質(zhì)量規(guī)范要求。

3.2 無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度分析

3.2.1 坡面檢驗(yàn)點(diǎn)精度分析

為檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)是否精準(zhǔn)可靠，利用GPS-RTK測(cè)量?jī)x分別在ZK100+900、ZK100+920 及ZK100+940橫斷面的每級(jí)邊坡頂點(diǎn)和坡腳點(diǎn)布設(shè)17個(gè)坡面檢驗(yàn)點(diǎn)，如圖5所示。每布設(shè)一個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，就用GPS-RTK測(cè)量檢驗(yàn)點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)量過(guò)程中確?；鶞?zhǔn)站與移動(dòng)站之間的信號(hào)通訊正常，并將17個(gè)坡面檢驗(yàn)點(diǎn)的GPS-RTK測(cè)量坐標(biāo)展點(diǎn)到無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)獲得的正射影像圖中，得到同名點(diǎn)位的無(wú)人機(jī)測(cè)量高程值，將GPS-RTK測(cè)量數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算坡面檢驗(yàn)點(diǎn)精度。坡面檢驗(yàn)點(diǎn)的GPS-RTK測(cè)量高程值與無(wú)人機(jī)測(cè)量的高程值如表4所示。

圖5 坡面檢驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)

對(duì)比表4中17個(gè)坡面檢核點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)值與GPS-RTK測(cè)值高程偏差平均值為3.7 cm，中誤差約為4.4 cm，其中高程偏差最大值為7.6 cm，最小值為0，基本滿(mǎn)足高速公路項(xiàng)目高程數(shù)據(jù)獲取精度要求。

表4 無(wú)人機(jī)與GPS-RTK測(cè)值對(duì)比 m

3.2.2 坡率、坡高及平臺(tái)寬精度分析

選取ZK100+920橫斷面，將無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量數(shù)據(jù)和GPS-RTK測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)如表5～表7所示。

表5 ZK100+920橫斷面坡率對(duì)比

表6 ZK100+920橫斷面坡高對(duì)比

表7 ZK100+920橫斷面平臺(tái)寬對(duì)比

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)得出，ZK100+920橫斷面兩者的各級(jí)坡率平均偏差率為2.3%，最大偏差率為4.6%，最小偏差率為0；各級(jí)坡高平均偏差率約為0.5%，最大偏差率為0.7%，最小偏差率為0.1%；各級(jí)平臺(tái)寬平均偏差率約為1.3%，最大偏差率為2.1%，最小偏差率為0.4%。無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量與GPS-RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差均在5%范圍內(nèi)，利用無(wú)人機(jī)智能化系統(tǒng)測(cè)量能夠滿(mǎn)足高速公路高邊坡復(fù)雜地形工程測(cè)量精度要求，并將利用無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)與RTK測(cè)量技術(shù)獲取高邊坡各項(xiàng)數(shù)據(jù)所應(yīng)用的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，利用無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地信息獲取及計(jì)算，節(jié)省了內(nèi)業(yè)和外業(yè)的工作時(shí)間，極大地提高了工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 賀巴高速公路無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)適用性選型，以多旋翼、可攜帶多鏡頭、能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)GPS定位為首選，并搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)。

2) 在高速公路復(fù)雜地形環(huán)境影響的條件下，無(wú)人機(jī)可正常飛行作業(yè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法到達(dá)地形險(xiǎn)峻危險(xiǎn)區(qū)域的不足，有效地提高了作業(yè)效率。

3) 與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比較，應(yīng)用無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量系統(tǒng)建立實(shí)景三維模型，并且智能化量取獲得目標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度測(cè)試中坡面檢驗(yàn)點(diǎn)的平均高程偏差值為3.7 cm；高程偏差值中誤差小于0.05 m，高邊坡坡率、坡高、平臺(tái)寬的無(wú)人機(jī)智能化測(cè)量與GPS-RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差均在5%范圍內(nèi)，精度完全符合規(guī)范要求，極大地縮短了作業(yè)時(shí)間，具有較好的適用性，值得行業(yè)推廣使用。