無人機在高原、高海拔、高寒地區公路測量中的應用

熊 強王俊偉

(綿陽市川交公路規劃勘察設計有限公司 四川 綿陽 621000)

無人機在高原、高海拔、高寒地區公路測量中的應用

熊 強1王俊偉2

(綿陽市川交公路規劃勘察設計有限公司 四川 綿陽 621000)

隨著我國西部大開發戰略的持續推進，對西部公路建設、管理和維護工作提出了更高的要求。由于西部地區主要位于高原、高海拔、高寒地區，特殊的地理環境無形中增加了公路測量的難度，因此，采用無人機進行公路測量就顯得尤為重要。本文從高原、高海拔、高寒地區對無人機測量影響入手，探討無人機在高原、高海拔、高寒地區公路測量中的應用，以供參考。

無人機；高原地區；高海拔地區；高寒地區；公路測量

隨著我國社會和經濟的快速發展，西部交通路網建設也取得了長足的進步。但是，西部高原、高海拔、高寒地區由于地理環境特殊、氣候條件惡劣，使公路測量面臨極大的困難。隨著無人機技術和數字測量技術的不斷發展，使無人機航測具有全天候、低成本、高精度等技術優勢，目前被廣泛應用于地質勘探、地形測繪、地質災害監測、航空攝影和軍事測繪等領域。在公路測量中，無人機主要利用自身攜帶的高分辨率相機對公路沿線區域進行影像自動拍攝和獲取，并具有信息數據壓縮和傳輸、影像預處理、航速規劃與監控等功能。實踐證明，無人機在公路測量中，具有較高的智能化程度、低空作業能力、高分辨率數據采集能力和飛行可靠性，能夠有效提高高原、高海拔、高寒地區公路測量工作的質量和效率。

1 高原、高海拔、高寒地區對無人機測量的影響

1.1 地理環境的影響

我國高原、高海拔、高寒地區主要集中在西部地區。該地區地廣人稀、交通不便，使無人機測量作業受到嚴重影響，主要表現在：一是該地區空氣較為稀薄、氣壓較低，對無人機性能提出了較高的要求；二是深入崇山峻嶺之中，對無人機作業和保障提出了嚴峻的挑戰；三是由于大山遮蔽，使無人機通信距離受到嚴重制約，無形中增加了測量難度。

1.2 氣象條件的影響

高原、高海拔、高寒地區氣象條件較為惡劣，氣候變化差異性大，公路沿線時常跨越多霧區、峽谷風道區、地形抬升區、永久凍土區等多種特殊地段，“微氣象”變化較大。濃霧、低溫、大風、雨雪等氣象條件都會對無人機飛行和測量造成較大的影響，甚至可能造成墜機等嚴重事故。

1.3 低溫的影響

高原、高海拔、高寒地區氣溫通常較平原地帶、低海拔地域要低，特別是高寒地區年均氣溫通常在零度以下，不僅對作業人員影響較大，還對無人機性能要求較高。實踐表明，當氣溫低于 40C時，無人機的鋰電池電解液會變稠或凝結，使電池充、放電效率和電池電量降低，嚴重制約了無人機的工作時長。[1]

2 高原、高海拔、高寒地區無人機在公路測量中的應用

2.1 無人機測量系統組成

無人機測量系統主要包括無人機飛行器系統、有效任務載荷和地面保障系統組成。其中，無人機飛行器系統又包括：飛行器平臺、推進系統、飛行控制與導航系統、數傳系統機載部分、起降系統機載部分等；有效任務載荷包括：高分辨率航空相機、小型合成孔徑雷達、高光譜成像系統、氣象傳感器包、新型紅外相機等；地面保障系統包括：起降系統地面部分、數傳系統地面部分、地面監控系統、地面后勤人員、其它輔助設備等。

2.2 無人機測量系統作業流程

無人機測量系統作業流程通常包括內業和外業兩部分。其中外業主要工作流程為：高原、高海拔、高寒地區公路沿線現場踏勘、無人機航線設計、航拍影像數據并進行檢查、像控布防方案設計及外業像控點量測等；內業主要工作流程為：無人機航拍影像數據預處理、空中三角測量、數字線劃圖DLG采集、外業調繪及成果檢查、內業高程數據修正獲得滿足精度要求的DLG成果、成果資料整理與歸檔等。[2]

2.3 應用實例

4D產品生產

我單位16年5月籌備組建無人機數字化攝影測量系統，極短時間完成相關技術學習，人員培訓，自己組裝雙發固定翼無人機，完成相機標定，組建10人航測內外業隊伍，有完成外業航飛、內業數據處理的能力，生產4D、三維模型等產品，短短半年完成別人幾年籌備計劃，完成綿陽三臺一環路、景觀大道、綿陽108國道、涼山會理米易路新線、西藏山南扎郞縣80公里改線、西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新線等項目的三維模型、4D產品。完成320公里各種等級、困難地區的道路航測勘察任務。本文著重以西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新線為例介紹、探討無人機航測與公路設計。

（1）線路概況。項目西藏那曲，線路主線上高原和高原峽谷各占一半、東西走向、100公里，支線70公里。此線路具有其他線路相同的特點，如線路曲折多變、需范圍很窄（僅需老路左右200米）等。又有自身的特點，如海拔高（平均海拔4800、4100～5200米），高差大（高差1100米左右）。作業時間 12月-1月，室外氣溫-26～2℃。溫度低會影響無人機的動力鋰電池工作，縮短工作時間。部分地段是峽谷地形、峽谷底部僅50米不到。業主對坐標系沒有特殊說明。為了項目后期便于作業，橢球采用WGS84，平面坐標系用高斯投影、三度分帶，線路全部位于31經區，中央子午線93°。高程坐標系假定，采用海拔高。

（2）作業過程

1）基礎控制測量。根據項目需求，控制測量等級按常規GPS四等，四等GPS控制網的觀測和平差解算是高程網和平面控制網同時進行，儀器、人力有限和工作效率考慮，采用6臺華測I80GPS觀測，CGO平差解算，觀測和解算完全按照四等GPS規范要求進行。無人機航空攝影

① 制定航飛計劃，根據項目需求（優于1/500），測區情況，線路走向，需改線區域，地形高差，無人機續航時間，起降場地等規劃起降場地和航線。由其自身特點，所需寬度很窄，抗風性弱，基高比，內外業工作效率，后期數據處理，質量和精度等綜合考慮，建議重疊度為航向75%、最小不低于55%，旁向75%、最小不低于50%。地形高差，設為一個航高，同一架次可以分為多個航高。對線路走向變化不大部分，可以采用平行航向，線路曲折，可以采用斜飛航向，保證有效重疊和線路覆蓋。無人機航線采用折線擬合的方法。本線路航跡如下所示。

② 外業航攝、差分POS解算、航飛資料質量檢查。溫度基本都在零下，注意電池的保暖（電池貼暖寶寶效果還可以）。溫差大導致氣流變化大，無人機抗風能力弱，航攝盡量安排在9.0-1.0點。考慮到控制網已經完成，所以差分POS采用是PPK模式，用waypoint解算的。由于工期緊張，航飛資料的不可能等后期處理發現問題，采用Pix4D進行初步處理和檢查，主要是以下幾個方面：重疊度是否達標，抽查影像是否清楚和損壞，POS和影像數是否一致，范圍有沒有全覆蓋，相機設置是否正確等。

③ 像控點測量。主要有布設地標，測量已有地物兩種，布設地標需要在航攝前完成，航攝工期緊張、工序繁雜、地物較多（橋涵直角處、獨立石頭、道路交叉處、房角、季節性水坑銳角處、小而矮灌木叢、溝渠頭），采用先飛后測量明顯地物的布設方法，像控點測量采用單基站RTK方法進行，由于GPS控制點一般遠離線路，所以在路線附近設站，工程參數按照上述輸入，做基站平移，復核2-3個已知點。由于路線特殊性、海拔高、缺氧、人體力考慮，沒有按照常規的幾條基線或者航帶布設，而是按距離布設。峽谷地段，沿線路走向每 200米布設一對，盡量距老路 100米左右，保證線路可能經過地方最近三個點構成正三角形。高原地段，由于地勢平緩，沿線路走向每 300米布設一對，盡量距老路 150米左右，保證線路可能經過地方最近三個點構成正三角形。像控點必須在航飛范圍里面，改線的區域一定被控制點包括在內。同時測量部分地物點坐標用以檢核航測成果的準確性。

④ 數據處理，

相機拍攝像片有畸變，相機參數通過軟件把影像去畸變，解壓成TIF格式，POS和影像名字對應，做好數據預處理。空三加密，即恢復無人機航攝瞬間影像的空間位置XYZ和姿態OPK。主要采用天寶的數字攝影測量系統Inpho，空三加密完全按照1/500航攝規范進行加密，立體恢復及精度檢查，主要是檢查控制點滿足1/500精度，上下視差、模型接邊差滿足要求，才能進行后續工作。

通過空三成果匹配出DEM、DSM，立體下編輯，輸出DEM和DSM（Las格式點云、DXF格式的特征線、約束線），正射單片糾正，勻色，鑲嵌，編輯，分幅輸出DOM。

同時空三成果導出外方位元素ORI（PATB格式）利用航天遠景的數字攝影測量系統Mapmatrix立體采集,外業調繪，在CASS編輯，輸出線畫圖DLG

通過smart3D或者photoscan全自動處理，少量的人工處理，無需人工干預輸出三維模型、三維景觀。

綜上所述，經過航線規劃，無人機航攝，外業像控，內業處理一系列流程，生產出4D產品及真實、精度達到厘米級的三維模型，為設計提供整套完整的初始資料。

3 高原、高海拔、高寒地區無人機在公路測量應把握的主要問題

3.1 加強無人機業務培訓

由于無人機型號不一，技術標準不一，必須在進行公路測量前對有關人員進行業務培訓。培訓時，要請無人機廠家派人實施，重點突出無人機的性能、組成、功能、操作、維護等內容，特別是高原、高海拔、高寒地區的使用特點和注意事項，使無人機操作人員和地面操作、保障人員能夠熟練掌握無人機的操作、使用和保養、維護技能。

3.2 加強無人機運行管理

一是要優選型號。保證無人機能在高原、高海拔、高寒地區正常工作。二是要持證上崗。無人機操作認證工作，必須由廠家和使用單位共同實施，從高原、高海拔、高寒地區特點，到無人機飛行軌跡、安全控制、缺陷成像質量等方面進行認證，確保現場工作人員持證上崗。三是要嚴格制度。要建立和健全無人機運行管理規章制度，將無人機管理、運行、維護等各個環節納入到制度體系之中，實現運行管理制度化、規范化、科學化，確保無人機性能良好、飛行安全。

3.3 編制無人機測量方案

一是要搞好實地勘察。高原、高海拔、高寒地區地形復雜、氣候多變，進行現場勘察至關重要，以確定是否存在禁飛區、電磁環境對飛行的影響、通道環境對無人機的影響等。二是擬制測量方案。具體明確組織結構、飛行線路、時間安排、人員分工、飛行保障、有關要求等，還要對意外事故處理等設置預案，并上報審批，確保無人機公路測量工作能夠順利展開。

結束語：

綜上所述，無人機在高原、高海拔、高寒地區公路測量中還處于探索階段，還需要不斷的實踐以獲取更多的經驗和成果。隨著無人機技術和航空測量技術的不斷進步，無人機在高原、高海拔、高寒地區公路測量中的優勢將更加明顯，將在我國西部大開發戰略和公路交通發展戰略中發揮更大的作用。

[1]高坤,李昶君,楊金波等.無人機在高原山區線路巡檢中的應用[J].電氣技術,2015,(4):130-131,133.DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2015.04.034.

[2]吳磊,金偉娜,燕樟林等.無人機攝影測量在公路選線上的應用研究[J].大壩與安全,2012,(2):35-38,42.DOI:10.3969/j.issn.1671-1092.2012.02.009.

[3]楊雪.無人機公路測繪應用現狀分析[J].低碳世界,2014,(10):251-252,253.

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1007-6344（2017）02-0131-02