多旋翼無人機(jī)在邊坡自然災(zāi)害治理測(cè)量中的應(yīng)用

羅李清

（漳州通正勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 漳州 363000）

長(zhǎng)期以來，公路高邊坡自然災(zāi)害治理測(cè)量一直以免棱鏡全站儀測(cè)量與GNSS輔助測(cè)量作為主要技術(shù)手段，但其測(cè)量難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、效率低、測(cè)量成果類型單一、成本大一直困擾著測(cè)繪人員。隨著旋翼無人機(jī)技術(shù)及低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的日益成熟，其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、效率高、人工野外采集工作少、成果類型多等優(yōu)點(diǎn)為高邊坡自然災(zāi)害測(cè)量提供了另一種途徑。依托漳州市華安縣省道金上線（S308）3#高邊坡自然災(zāi)害治理工程測(cè)量項(xiàng)目，筆者對(duì)多旋翼無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量在高邊坡自然災(zāi)害治理測(cè)量的具體實(shí)施進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用和研究，研究結(jié)果可提供相關(guān)從業(yè)人員參考。

1 無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量實(shí)施技術(shù)路線

①現(xiàn)場(chǎng)踏勘--＞②像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量--＞③相機(jī)檢校--＞④無人機(jī)航攝--＞⑤空中三角測(cè)量--＞⑥全數(shù)字化成圖--＞⑦成果輸出。

2 本項(xiàng)目實(shí)施流程

2.1 測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)踏勘

本次高邊坡自然災(zāi)害治理項(xiàng)目位于省道金上線K223+702.7～K223+928.9段，測(cè)區(qū)面積約0.09km2，邊坡落差約90m，自然坡度陡竣（約45°），因長(zhǎng)時(shí)間降雨發(fā)生滑坡，原有水泥路面被滑坡體覆蓋，邊坡時(shí)有石頭滾落，車輛無法通行，對(duì)公路沿線村民的出行造成了極大的影響，急需進(jìn)行治理恢復(fù)通行，應(yīng)業(yè)主及邊坡設(shè)計(jì)組要求需在1天內(nèi)提交邊坡治理設(shè)計(jì)所需的測(cè)量成果。綜上所述本項(xiàng)目測(cè)量時(shí)間緊、人工測(cè)量危險(xiǎn)系數(shù)高，難度大，采用傳統(tǒng)測(cè)量方式難以滿足要求，綜合分析后決定采用無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件本項(xiàng)目選擇對(duì)起降場(chǎng)地要求低且轉(zhuǎn)彎半徑小的六旋翼無人機(jī)motorsky M1000搭載Sony A6000微單進(jìn)行航片獲取。

圖1 現(xiàn)狀邊坡立面圖

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

由于本次測(cè)量的邊坡已發(fā)生滑坡，山體自然坡度大，所需測(cè)量坡體的大部分位置人工很難到達(dá)且存在安全隱患，所以本項(xiàng)目像控點(diǎn)位置選擇的條件為：①位于滑坡體以外且穩(wěn)定安全的地方；②確保測(cè)區(qū)四個(gè)角點(diǎn)均有布設(shè)平高控制點(diǎn)；③平高控制點(diǎn)間的基線數(shù)不大于6條，航線間隔數(shù)不大于4條。本次測(cè)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形并結(jié)合布點(diǎn)要求，布設(shè)6個(gè)空中三角測(cè)量控制點(diǎn)（具體位置詳見像控點(diǎn)布置示意圖中圓圈所示）；同時(shí)為了驗(yàn)證本次測(cè)量方案的精度，在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)了5個(gè)檢查點(diǎn)（檢查點(diǎn)的位置選擇綜合考慮代表性、可達(dá)性、安全性因素）。由于本次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)地物特征在影像上難以識(shí)別，為方便內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)布設(shè)采用事前布設(shè)的方法。在谷歌地球上事先進(jìn)行選點(diǎn)布設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)踏勘并根據(jù)實(shí)地情況對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)后,在所選的位置布設(shè)顏色艷麗的像控標(biāo)靶，利用GNSS測(cè)量進(jìn)行平高點(diǎn)采集，接著進(jìn)行無人機(jī)航攝。具體布設(shè)方案見下圖：

圖2 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)布置示意圖

2.3 相機(jī)檢校

由于微單相機(jī)相幅小，畸變大，為滿足本次測(cè)量精度要求，本次航飛之前利用航天遠(yuǎn)景數(shù)碼相機(jī)檢校系統(tǒng)EasyCalibrate對(duì)Sony A6000微單相機(jī)進(jìn)行事前檢校，獲取的相機(jī)檢校參數(shù)如下：

相機(jī)焦距：15.901mm

像元大小：0.0039mm

像主點(diǎn)X0：-0.0992mm

像主點(diǎn)Y0：-0.0588mm

徑向畸變系數(shù)K1：

0.000243302524345727490

徑向畸變系數(shù)K2：

-0.00000132735755353717

徑向畸變系數(shù)K3：

-0.00000000077679023502

偏心畸變系數(shù)P1：

-0.00004495255428326274

偏心畸變系數(shù)P2：

0.00024381953234790097

CCD非正方形比例系數(shù)α：

0.00028891981478666821

CCD非正方形比例系數(shù)β：

0.00060406035658987765

2.4 無人機(jī)航攝

由于采用的是非量測(cè)型相機(jī)，為了進(jìn)一步減小影像糾正誤差，本次航攝在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加大像片重疊度，共計(jì)飛行三個(gè)航帶，航向重疊度85%，旁向重疊度70%，相對(duì)航高150m，地面分辨率優(yōu)于5cm。飛行結(jié)果：影像質(zhì)量層次感分明，反差適中，曝光良好，無普遍模糊、重影或者反光等現(xiàn)象，滿足內(nèi)業(yè)要求。

像片去畸變：本次所拍航片利用航天遠(yuǎn)景MapMatrix數(shù)碼相機(jī)畸變校正模塊結(jié)合相機(jī)檢校參數(shù)對(duì)航片進(jìn)行去畸變處理。

2.5 空中三角測(cè)量

采用INPHO進(jìn)行空中三角測(cè)量處理，空中三角測(cè)量控制點(diǎn)選用D1，D2，D3，D8，D10，D11（位置詳見上圖），剩余5個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。

精度驗(yàn)證：由于本項(xiàng)目處于滑坡路段，地物特征點(diǎn)少。本次精度驗(yàn)證的目標(biāo)主要為點(diǎn)位精度驗(yàn)證。主要驗(yàn)證像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)所采集的11個(gè)平高點(diǎn)，通過利用MapMatrix中FeatureOne模塊立體量測(cè)控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)對(duì)成果進(jìn)行精度驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)測(cè)量精度分析如下圖所示：

表1 測(cè)量精度分析表單位：cm

表中各項(xiàng)誤差均滿足GBT23236-2009空中三角測(cè)量規(guī)范要求。

圖3 平面位置誤差分布圖

圖4 高程誤差分布圖

2.6 全數(shù)字化成圖

空中三角測(cè)量精度驗(yàn)證合格后，利用航天遠(yuǎn)景MapMtrix全數(shù)字化攝影平臺(tái)中FeatureOne模塊對(duì)空中三角測(cè)量的成果進(jìn)行立體測(cè)圖。

2.7 DLG成果輸出

最后將立體測(cè)圖成果輸出至南方CASS10.1進(jìn)行DLG成果編輯輸出。最終輸出的成果如圖5所示：

圖5 成果輸出略圖

為了驗(yàn)證DLG成果的精度，本次測(cè)量利用免棱鏡全站儀在坡體不同位置測(cè)量了10個(gè)點(diǎn)做為等高線插值檢驗(yàn)點(diǎn)，在棚角、道路折點(diǎn)、電桿等的位置測(cè)量了10個(gè)點(diǎn)做為地物點(diǎn)點(diǎn)位檢驗(yàn)點(diǎn)。并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)展入地形圖進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如下：

圖6 等高線插值誤差分布圖

圖7 圖上地物點(diǎn)點(diǎn)位誤差分布圖

本項(xiàng)目為高邊坡滑坡治理測(cè)量項(xiàng)目，根據(jù)設(shè)計(jì)要求地形圖需達(dá)到重丘區(qū)1：500的精度。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果等高線插值中誤差為40.1cm≤(2/3)Hd=67cm,圖上地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為12cm≤0.06*500=30cm,滿足JTG C10-2007《公路勘測(cè)規(guī)范》對(duì)于重丘區(qū)1：500地形圖的精度要求。

3 總結(jié)

就本次采用多旋翼無人機(jī)在高邊坡自然災(zāi)害治理測(cè)量的驗(yàn)證結(jié)果，可得到如下結(jié)論：多旋翼無人機(jī)在高邊坡自然災(zāi)害測(cè)量的實(shí)施中，通過對(duì)航空攝影、像控測(cè)量、空中三角測(cè)量以及最終內(nèi)業(yè)成圖等關(guān)鍵流程進(jìn)行質(zhì)量控制，最終成果在平面和高程精度上都可以滿足設(shè)計(jì)要求的測(cè)量精度要求，該測(cè)量方式可用于類似項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)工作。本次航攝使用非量測(cè)相機(jī)Sony A6000進(jìn)行航片獲取，由于非量測(cè)相機(jī)的局限性導(dǎo)致在高程精度上還有一定的局限性，但是經(jīng)過畸變校正后有了比較大的改善。因此在今后多旋翼應(yīng)用于此類型項(xiàng)目測(cè)量中，如果能夠搭載量測(cè)型相機(jī)或激光雷達(dá)，將可以對(duì)高程精度有比較大的改善；如果使用微單或者單反需對(duì)航片進(jìn)行畸變校正這樣可以較大幅度地提高精度以滿足測(cè)量精度要求；另外在測(cè)量滑坡體較大的項(xiàng)目時(shí)為了減少像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，避免在危險(xiǎn)區(qū)域布設(shè)像控點(diǎn)，建議采用高精度帶差分無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)。對(duì)于高邊坡自然災(zāi)害治理測(cè)量，這種面積小，危險(xiǎn)性高，測(cè)量時(shí)間要求緊，人工施測(cè)難度大的項(xiàng)目，多旋翼無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有起降方便，機(jī)動(dòng)靈活，可達(dá)性好，效率高，人工野外采集工作少，可提供多種類型成果數(shù)據(jù)（DOM、DTM、DEM、DLG）等優(yōu)勢(shì)在今后類似項(xiàng)目應(yīng)用上有著極大的優(yōu)越性和實(shí)際價(jià)值。