無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用

史華林

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南 昆明 650051)

一、前 言

目前，公路帶狀地形圖測量采用的方法有全站儀測量法、GNSS RTK測量法、傳統航空測量法。全站儀測量及GNSS RTK測量需要投入大量人力，地形破碎、建筑密集地區難以測量。傳統航空測量雖然技術成熟，應用廣泛，但由于該技術對天氣和機場條件的依賴性大，成本較高，攝影周期較長，限制了傳統數字攝影測量技術在公路地形測量中的應用。

近年來，低空飛行無人機(UAV)技術得到了非常快的發展，基于無人機平臺的航空攝影技術已顯示出很強的優勢。無人機使用成本低、結構簡單，無人機航測適用于危險區域的測繪和快速監測等。無人機拍攝影像具有清晰度高、分辨率高、比例尺大、面積小、現勢性強的優點，且無人駕駛飛機為航拍攝影提供了操作方便、轉場容易的航攝平臺。

二、無人機系統簡介

筆者所在單位用于公路帶狀地形測量的無人機航飛系統型號為ZC-Ⅱ。無人機是通過機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器。無人機航空攝影是以無人駕駛飛機作為空中平臺，使用焦距為35.52 mm的Canon EOS 5D Mark Ⅱ 型單反相機獲取低空高分辨率實地照片，使用計算機及相應軟件對圖像信息進行處理，并按照一定的精度要求繪制成地形圖。無人機系統在設計和最優化組合方面具有突出的特點，是集成了高空拍攝、遙控、遙測技術、視頻影像微波傳輸和計算機影像信息處理的新型應用技術。

三、生產技術流程

帶狀公路地形測量無人機航測生產技術流程由接受任務開始，經室內方案設計、外業測量、內業空三、內業測圖、資料整理五大階段，可分為16個步驟(如圖1所示)。

圖1 生產技術流程

四、作業方法

項目作業區位于云南省東南部，擬建公路推薦路線全長22.531 km，作業范圍依據設計院提供的1∶5萬線路中線方案圖中線比較線兩邊各200 m。

線路地理位置起點(105°40′36″E,23°36′23″N)，終點(105°44′20″E，23°25′43″N)。整條線路屬山地地形，最高海拔約為1255 m，最低海拔位于起點處，約為663 m。整條線路地形復雜，隱蔽地形和一般地形都有分布，地物較多，植被有水田、旱地、果園、樹林、灌木等。部分地區樹林密集，地物雜亂無章，沿線道路交通不便，通視情況較差。

1. 控制測量

線路控制測量采用GPS及全站儀。沿線路5 km左右布設一對四等GPS控制點，四等GPS控制點之間加密一級導線點，一級導線點間距500 m左右。高程布設四等電磁波測距高程導線。

2. 無人機航空攝影

(1) 航線設計

根據線路走向進行航線設計，共設計飛行4個架次，根據要求測量線路寬度，每個架次飛行4條航線。

(2) 航 飛

無人機飛行平臺為ZC-Ⅱ，飛控系統為YS09，相機為焦距35.52 mm的Canon EOS 5D Mark Ⅱ型單反相機。氣候條件選擇最佳的航攝時間。航攝范圍橫向每側覆蓋成圖區域以外一個航帶20%的寬度，縱向各向外延伸2條攝影基線，航攝分辨率為0.12 m。

3. 像片控制點的布設原則及測量方法

(1) 像片控制點標志的設計

本項目像片控制點標志使用1.5 m方形噴繪紙，設計為黑白相間的三角形圖案。

(2) 像片控制點的布設

本測區樹林比較密集，為了保證后期的成圖精度，航飛前在公路中線附近的測量控制點上布設了人工布標。布標用普通噴繪布，其規格為1.5 m×1.5 m，在上面噴上兩個黑色對頂的三角形，形成黑白相間的4個三角形,確保了在航拍照片上清晰可見。在線路起點、終點及架次交叉處共補刺P1、P2、P5、P6、P75個像片控制點。第二架次地面控制點分布如圖2所示。

圖2 第二架次地面控制點分布圖

(3) 像片控制點的測量

像片控制點的測量采用GNSS靜態測量、全站儀導線測量及GNSS RTK測量3種方法進行，不僅提高了像片控制點的精度，而且大大提高了測量作業效率。

4. 空三加密計算

數碼像片經過像片改正，框標坐標殘差絕對值為0。內定向采用邊框自動計算，像點量測坐標考慮像主點位置、航攝儀物鏡畸變、大氣折光、地球曲率等系統誤差的影響，使用自檢校平差消除像點量測的系統誤差。相對定向時，每個像對連接點分布均勻，每個標準點位區有連接點。自動相對定向時，每個像對連接點數目大于30個。絕對定向與區域網平差計算，本次空三加密一共分為3個區域進行，區域之間進行接邊處理。

5. 內業測圖

內業矢量測圖采用JX4-G數字攝影系統。在全數字攝影測量系統上進行立體數據采集，立體像對直接導入空三加密成果。

內業測圖采用在全野外調繪后刺點測圖的方法，對不符合現狀的地物在成圖后進行野外補測。測繪等高線時用測標切準模型描繪。在等傾斜地段，相鄰兩計曲線間距離在圖上小于5 mm時，只測繪計曲線，首曲線插繪。對于有植被覆蓋的地表，當沿植被表面描繪時，加植被高度改正。在樹林密集隱蔽地區，依據野外高程點和立體模型進行測繪。高程注記點讀兩次，讀數較差為0.4 m，取中數注記至0.1 m。高程注記點注記在地物或地性特點上，圖上密度為每100 cm213個，在高程變化較大處增加注記點個數。測圖范圍內的獨立地物，電力線、通信線、電纜、光纜及地面架空管線，各種等級的道路均準確繪出。房物標明建筑結構和層數，植被區分經濟林和用材林，土地分水田、旱地、果園、菜地、荒地等。圖中村鎮、水系、河流、溝谷、大山、鐵路、公路、管線、文物保護區(范圍)、水庫等有清晰的標識。

最后使用南方CASS軟件將矢量地形圖轉換為設計方需要的格式地形圖。

6. 外業調繪及精度檢查

外業調繪打印出的地形圖紙質圖上進行。嚴格按《公路勘測規范》(JTG C10—2007)、《公路勘測細則》(JTG/TC10—2007)的相關要求執行，對航攝成圖進行實地全野外屬性調繪，并修測、補測。修測、補測完后，通過內業修改數據，以提高成圖精度，并對以下問題進行處理:

1) 電力線、通信線、地下電纜、電桿、鐵塔的調繪按逐桿調繪，分明高壓線、低壓線、光纜或通信線，以及電壓值或線數，并在轉折處標明每條線路的走向。

2) 對測區內各級公路的等級、寬度、路面類型及去向地名和道路構造物如橋涵等均按實地位置調繪。

3) 對測區內耕地及植被類型，分經濟作物與其他農作物等進行調繪。

為檢查成果的可靠性，在測區不同區域采集了114個明顯的地物點、286個地形點進行精度統計，其中地物點點位中誤差0.536 m，等高線插值的高程中誤差0.462 m，結果完全滿足《公路勘測規范》(JTG C10—2007)1∶2000地形圖測量要求，滿足公路設計要求。

五、結束語

本文結合工程實際介紹了無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用情況，并證明無人機攝影測量技術可滿足公路帶狀1∶2000地形圖測繪的要求，為公路帶狀測圖項目提供了新的解決方案。

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