無人機、傾斜攝影在公路測量中的應用

孫運彬 李志剛

【摘 要】無人機、傾斜攝影是公路測量的新方法和新技術，對簡化公路測量的工作量，提高測量效率和精度意義重大。論文從無人機便捷的特征談起，分析了無人機攝影與傳統技術的區別。然后，詳細地說明了無人機、傾斜攝影在公路選、定線以及帶狀圖測繪中的應用，最后，分析了無人機、傾斜攝影在公路橫縱斷面測量中的應用，希望本文的研究對推進無人機和傾斜攝影技術的應用有所幫助。

【Abstract】Unmanned aerial vehicle and oblique photography are the new methods and technologies of highway surveying， which is of great significance to simplify the workload of highway surveying and improve the measuring efficiency and accuracy. This paper discusses the characteristic of convenience of UAV， analyzes the difference between UAV photography and traditional technology. And then it explains the application of UAV， oblique photography in the highway selection， alignment and strip mapping in detail. Finally， the application of UAV， oblique photography in the transverse and profile surveying of the highway is analyzed. Hoping to provide some help for promoting the application of UAV， oblique photography technology.

【關鍵詞】無人機系統；傾斜攝影；公路測量；具體應用

【Keywords】UAV system； oblique photography； highway surveying； specific application

【中圖分類號】P231 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）09-0194-03

1 引言

無人機平臺借助高精度多角度攝像設備，能夠在短時間內獲取高分辨率影像，為公路施工提供基礎數據信息。以帶狀圖像為基本特征的公路地形圖，需要較高的精度以及圖幅之間的銜接技術。無人機的出現打破了原有的工作思維，為測繪人員打開了一片新天地。無人機和傾斜攝影技術的結合，代替了傳統數據采集過程，簡化了內業的數據處理，是工程測量的發展方向之一。

2 無人機、傾斜攝影的概念

無人機是一種攝影平臺，測量人員將不同角度的高分辨率攝像頭安裝在無人機的底部，為無人機設置多項參數，在高度平穩、攝像角度一定的情況下，進行攝影[1]。一般而言，無人機的多角度攝像頭拍到的影像重疊度在60%～65%。如此的重疊度，使得無人機影像的拍攝范圍小，數據量所占空間大，適合在帶狀公路建設工程中使用。此外，無人機的攝像分辨率還在不斷提高，能夠容納的地物不僅在變多，而且更加豐富。

傾斜攝影是一種確定地物點具體位置的攝影技術。對同一點進行的多角度拍攝，形成了三點定位效果。根據拍攝時無人機的高度、姿態等參數，對圖像中的每個點進行立體成像，從而形成三維立體圖，與此同時，還會形成DEM數據，判定地面高程變化。傾斜攝影技術比二維轉化成三維的傳統技術在精度、視覺效果以及反映地物真實性方面更加優越，便于測繪行業內外人士的運用。無人機和傾斜攝影是密不可分的，無人機測量平臺和傾斜攝影的技術將整個測繪工作向著簡便、精準、自動化的方向推向。

3 無人機便捷性分析

無人機攝影技術在是衛星遙感攝影原理和基礎上發展起來的。與遙感攝影相比，無人機攝影技術避免了大氣傳播過程中能量的散射以及幾何變形，縮短了攝影周期，提高了圖像的分辨率；與GPS-RTK技術相比[2]，無人機攝影技術獲取基礎數據不需要設定基站，也不需要測量人員進行逐點測量，縮短了測量工作的整個周期；與傳統的導線法、三角或三邊三角網法相比，無人機攝影技術不需要做多級支站，且測量精度更高。下文將對無人機的便捷性進行分析。

3.1 無人機獲取數據的周期短

經過10多年的發展，無人機攜帶高精度、多角度相機，能夠在極短的時間之內獲得整個測區數據，并且能夠以相同的比例尺獲得較大圖幅的內容。如果運用衛星遙感技術獲取圖像，則需要半個月或一周時間，如果運用GPS-RTK技術測量，則需要3到5天時間。而無人機只需要設定好飛行路線以及飛行次數，不需要半個小時便可以獲取整個公路施工區域的圖像資料。在后期數據的處理中，只需要均勻挑選特征點，進行對應的坐標匹配，便可以為整個施工提供設計底圖。

3.2 無人機獲取數據的精度高

公路施工需要1：500、1：1000以及1：2000的地形圖。無人機根據需要可在低于1000m的高度進行飛行，無人機攜帶的高分辨率傳感器精度可達到厘米級別，且獲取的彩色影像能夠將地面測區內的細節全部展現出來。通過后期處理，圖像數據成果可以生成DEM和DOM圖，展示出三維場景。只需要沿著公路中心為量測特征點，就能夠做好圖像糾正，生成正式的地形圖[3]。高精度的無人機數據以及數據處理后呈現的三維效果，能夠讓工作者更加直觀地感受測區的實際情況。

3.3 無人機獲取數據的成本低

無人機單次獲取數據的成本與其他方式相比是非常低廉的。從無人機需要的測量人員看，一般三個工作人員便可以完成整個測區的圖像采集任務；從無人機需要的設備看，僅需要無人機以及計算機數據處理系統，不需要基站，也不需要多個全站儀測量設備。因此，無人機獲取數據的成本是最低的。在地勢平坦地區，無人機獲取的圖像遮擋少，速度快；在地勢起伏大，遮擋物較多地區，無人機的多個攝影頭可以多角度攝像，將盲區縮小到最小范圍。無人機需要重測的概率極低，數據的高質量也是其成本小的重要原因。

4 無人機、傾斜攝影在公路選、定線以及帶狀圖測繪中的應用

無論是新公路建設還是舊路重建，都需要對公路進行選、定線，借助帶狀圖進行地質環境、水文條件等內容的判斷。無人機、傾斜攝影能夠更加直觀、更加便捷的為公路選、定線，確定公路的修建方向提供幫助，盡可能地降低公路建設成本。本節將無人機、傾斜攝影的應用分山嶺區、平原區、丘陵區三個方面進行敘述。

4.1 無人機、傾斜攝影在山嶺區測繪中的應用

公路建設通過山嶺區時，需要充分考慮上嶺線和下嶺線、路線偏離度、路線填挖量、放坡、路面陰陽位置比例以及排水管道設計等。首先，無人機、傾斜攝影能夠直觀地展示山嶺地區的地面全貌，公路路線的設計者可以根據影像反映出的地區實際情況，預先設計出多條建設路線。其次，根據多條建設路線，從路線偏離度、土方填挖量、路面在陽坡和陰坡上的比例等要素對幾種設計路線進行選擇。再次，在放坡和填挖土方量的過程中，利用遙感影像選、定線。根據影像的情況，設計出地面選、定點的大致位置。最后，形成以公路為中心的帶狀定點路線，形成一級控制點，利用PTK進行實地測點，為公路建設提供基礎數據。

4.2 無人機、傾斜攝影在平原區測繪中的應用

平原區公路建設的選定線比山嶺區難度小，沒有山體、植被的大面積遮擋。但是，平原區公路建設需要考慮到建設成本、轉彎曲線、高壓塔、村莊、已有公路以及其他重要的地物。在選、定線過程中，無人機利用傾斜攝影技術，在100m左右的高度，對整個工程進行觀測，發揮空中三角形測量的作用，形成三維立體圖。如此一來，新建公路或重建公路能夠看到具體路線上需要繞開的城鎮、村莊，可以看到可以交叉的已有公路，在此基礎上開展選、定工作。在內部數據處理系統中，選、定的點還可以進行動態展示。在后期選、定點的實際工作中，還可以利用這些影像圖進行實時修改，以便將實地測量以及后續工程的成本降到最低。

4.3 無人機、傾斜攝影在丘陵區測繪中的應用

丘陵區公路建設的選定任務比較重，其地勢起伏不定，水文條件不明，轉彎十分多。按照傳統的測繪方法，需要繞著整個工程區進行實地踏勘，這個時間比較長，也需要花費大量的勞動力。首先，無人機能夠沿著丘陵區公路進行地勢、地貌的立體觀測，幫助測繪人員得到較為完整的地區圖像。然后，按照圖像進行實地情況分析，減少外業踏勘的次數以及工作量；最后，將整個公路建設進行分段，每一段區域的公路建設都可以在圖像的指引下選擇公路的具體建設路線，并在公路的中線定點，為后期施工做好基礎工作。

5 無人機、傾斜攝影在公路橫縱斷面測量中的應用

無人機和傾斜攝影聯合測量后，經過空三處理，得到DEM和DOM影像。在公路橫縱斷面測量中，可以利用生成的DEM判定高程差，從而確定具體的施工方案。本節從三個方面分析其在橫縱斷面測量中的應用。

5.1 在帶狀圖上進行內插，明確測區的高程差

由于無人機、傾斜攝影能夠提供DEM，判定公路施工各個部分的高程差，從而解決坡道、曲線、轉彎等多種問題。首先，將外業航飛獲取的圖像進行內業處理，結合外業測量的特征點，進行影像配準[4]；然后，根據公路工程的需求，對生成的DEM圖進行內插運算，更加具體地反映公路路線的高程變化；最后，通過內業軟件，篩選出具有橫斷面特征的部分，并確定其傾斜角度，為橫斷面處理準備好基礎材料。測區橫斷面篩選成功后，測繪人員只需要在這些地方進行布測，觀察周圍的環境，為這些橫斷面的施工設計提供具體數據。無人機、傾斜攝影代替了傳統測量手段，篩選橫斷面的效率和精度大大提高，其成本也得到了有效控制。

5.2 基于影像成果，計算填挖土方量

無人機、傾斜攝影測量得到的影像是在多項參數下得到的，完全可以推算出圖像比例尺。換句話而言，測區內的面積、體積都是可以通過影像計算出來的。山區公路建設過程中需要的填挖土方量便可以直接在影像圖上進行計算[5]。首先，判斷公路施工區域需要填挖土方量的具體位置，在這些位置上觀察周圍土壤、巖石走向，確定公路建設需要挖走或者填充進來的土方量。在填充方面，可以選擇就近取材，以瑣碎的石塊、優質土壤等進行填充，設計出兩者比例，既要能夠節約成本，又能夠保證公路的質量；在挖出方面，需要對周圍的地質條件進行探查，考慮到巖體、水體等方面的影響，盡量減少對周圍環境的影響，產生的廢料也可借助影像圖選擇投放地點。

5.3 借助影像，觀察橫縱斷面處理對周圍的影響

在公路進行橫縱斷面處理的過程中，很容易對周圍的地形、地勢造成影響。采用不斷更新的無人機影像圖觀察周圍巖體、水體以及其他地物的沉降和變動。通過這些地物的變化趨勢，判斷橫縱斷面是否能夠繼續進行[6]。在平原區，這種實時監測的必要性不明顯，但是，在丘陵和山嶺區，一旦由于施工的震動、開挖和填充的不合理，改變了山體內部的平衡，而又沒有察覺，就會給整個工程以及工人帶來不可挽回的損失。考慮到安全和施工質量因素，開展無人機定期航飛計劃，能夠有效檢測周圍山體的變動，保障施工人員的安全。

6 結語

無人機、傾斜攝影是公路測繪發展的新方向。無人機和傾斜攝影技術代替了傳統的人工測繪手段，不僅提高了工作效率，還提升了測量精準度。如今，無人機、傾斜攝影在三維成像技術方面的發展獲得了業內人士的認可[7]，在實際生產中展現出極強的優越性。總之，帶狀公路測量工作需要無人機、傾斜攝影技術的支持，需要真實的高分辨率影像提供精準的基礎數據。

【參考文獻】

【1】陳姣. 無人機航攝系統測繪大比例尺地形圖應用研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

【2】史華林. 無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用[J].測繪通報，2014（06）：25.

【3】吳磊，金偉娜，燕樟林. 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（02）：16.

【4】熊強，王俊偉.無人機在高原、高海拔、高寒地區公路測量中的應用[J].四川水泥， 2017（2）：26-28.

【5】狄桂栓，沈彪群，高波，等.免像控無人機航攝系統在公路帶狀地形測量中的應用與精度分析[J].測繪通報， 2017（2）：55-59.

【6】葉華斌，沈壯，程志強，等.無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用[J].地球， 2015（5）：56-59.

【7】高志國，宋楊，曾凡洋.微型無人機航攝系統快速測繪小區域大比例尺地形圖試驗分析[J].工程勘察， 2015（12）：28.