基于無人機和全景技術的“空-地”聯合公路設計外業調查方法

相詩堯，徐 潤，張 濤，郭長順，趙慶濤

（山東省交通規劃設計院有限公司 全壽命周期BIM技術應用研發中心，山東 濟南 250031）

引言

公路工程具有線長、點多、面廣的特點，詳細的外業調查環節對于方案確定和優化，以及減少后期變更等具有重要作用[1-2]。對于新建公路而言，路線設計難免要經過山區、河流等地形復雜區域，這些區域交通不便，人員到達困難，同時，由于野外環境復雜，外業調查較難做到準確、詳盡[3]。

1 便攜式無人機航測系統

便攜式無人機航測系統是指小型化的多旋翼無人機航測系統，通常為四旋翼無人機，并具有體型小、重量輕、易操作、便于攜帶的特點，通過該無人機可以完成視頻、照片拍攝的需求，能夠在空中獲取工程區域大范圍的實景照片及視頻資料[4]，作為方案設計、方案論證的有力數據支撐，該方法可代替人工進入危險區域，達到作業安全、高效的目的。在機型選擇中，將大疆御2 Pro無人機作為首選機型，圖1所示為該款無人機重量僅為907 g，并且可以折疊，便于外業攜帶，相機像素為2 000萬，拍攝畫面清晰，同時系統具備避障功能，可以減少復雜環境中操作帶來的風險。

2 便攜式全景影像外業調查系統

便攜式全景影像外業調查系統是我公司自主研發的外業調查軟硬件系統平臺，包括外業調查數據采集系統和外業調查數據三維可視化管理平臺。采集系統集成了全景相機、高精度定位模塊、工業級測量平板和外業調查APP軟件，實現了外業調查屬性信息、全景照片、視頻、音頻和手繪圖等外業調查數據的獲取，采集系統見圖2。三維可視化管理平臺，實現了所采集外業調查數據的三維可視化管理，集成了數據存儲、查詢、統計等功能。

圖1 大疆御2 Pro無人機

圖2 外業調查數據 采集系統

3 應用實例

3.1 針對不同應用場景的便攜式無人機航測方法

通過便攜式無人機航測系統能夠由空中視角完成對工程現場環境實景數據的采集，針對不同需求和應用場景，設計了不同的數據獲取方法，可分為路線整體方案外業調查應用、交通流量調查應用和重要工點現狀外業調查應用。

3.1.1 路線整體方案外業調查應用

對于公路工程而言，設計里程往往達到幾十公里至幾百公里，通過手控無人機方式獲取全路線的外業調查資料將耗費大量時間，并易出現無人機拍攝時偏離設計線位的情況；同時，由于公路工程長線型的特點，手控無人機航拍方式容易出現無人機超出視野范圍等情況，存在安全隱患。針對該問題，設計了無人機跟隨設計線位自主航拍的方法。首先將投影坐標的設計線位轉換為WGS84經緯度坐標的*.kml格式的航線文件，然后根據無人機續航能力，將航線按照5～6 km分段，并根據劃定的飛行航線選擇合適的起飛點，最后設定飛行參數，由地面站控制軟件實現無人機自主航拍，從而獲取公路全線的視頻資料。采用該方法既能保證作業安全，又可提高效率，單人單機每天能夠完成40 km視頻資料的采集任務，所獲取的視頻資料可用于線位合理性驗證、地表附著物調查、方案匯報、征地拆遷爭議處理等方面，見圖3獲取的視頻截圖。

3.1.2 交通流量調查應用

準確獲取交通流量現狀信息，對于方案規劃設計具有重要的參考意義。為了更加靈活、準確地獲取交通流量信息，可根據需求，將無人機懸停在需要獲知交通流量的路口或者道路上方，調整鏡頭角度，使其垂直拍攝，見圖4，進而可以獲取實時的交通流量數據。通過該方式，可以靈活地選擇拍攝地點以及拍攝時間，由于無人機鏡頭收錄范圍廣，可全面地記錄道路整體交通狀況，利于設計方案論證。

圖3 無人機航拍視頻

圖4 無人機交通流量調查

3.1.3 重要工點現狀外業調查應用

重要工點區域，地物之間的距離以及相互關系等對于確定設計方案至關重要，便攜式無人機航測系統可以用于小區域的正射影像獲取。實際操作時，需要在工程區域內布設像控點，以控制最終成果的精度，并通過無人機地面站軟件完成航線規劃及參數設定，無人機根據設定的參數完成自主航測并獲取多張高重疊度的航片，利用無人機航測數據處理軟件，經空三加密、DSM構建、影像鑲嵌等處理可以獲取該區域的正射影像數據[5-6]。圖5為獲取的某區域的正射影像圖，通過該圖可以詳細地確定出各類地物之間的空間位置關系，便于重要工點的方案設計。

3.2 便攜式全景影像外業調查系統道路外業調查方法

在自主研發的便攜式全景影像外業調查系統中，可以將道路設計線位、已有的基礎地形圖、影像圖在外業調查數據采集系統的外業調查APP軟件中疊加顯示，并通過實時差分定位模塊獲取高精度定位信息，實現了依托數字化的基礎資料和高精實時定位的外業調查。在重要的外業調查點處，可利用集成的全景相機獲取4K高清全景照片，全景照片在機內完成拼接合成，節約了照片后期拼接處理的時間，通過相機中配置的陀螺定向系統，可以獲取全景照片準確的方位信息，見圖6。

圖5 正射影像

圖6 移動端全景影像瀏覽界面

同時，在外業調查APP中可以自由配置各類外業調查表格，實現外業調查內容的電子化錄入，并 設計實現了語音自動識別錄入功能以及繪圖圖庫，提高信息錄入效率，圖7為外業調查信息錄入界面。通過外業調查數據采集裝置，最終可以獲取外業調查點的高精度位置信息，以及在該點處所拍攝的全景影像、視頻音頻資料、詳細的外業調查表單、手繪圖資料等數據。最終，由外業調查數據三維可視化管理平臺完成數據管理，在平臺系統中，外業調查點根據類型劃分，以不同的三維空間坐標點符號的形式展現在三維場景中，并掛接了對應的外業調查數據。通過點擊圖標，即可實現各類數據瀏覽，圖8展示了平臺的全景影像瀏覽功能。系統還具有自動統計計算功能，可對各類外業調查數據進行自動分類和統計，一鍵導出各類外業調查數據統計報告，提高了數據整理、統計的效率。

圖7 外業調查信息錄入界面

圖8 外業調查數據三維可視化管理平臺全景影像瀏覽界面

4 結語

“空-地”聯合公路設計外業調查方法充分運用了無人機航測技術和自主研發的全景影像外業調查系統，可為公路設計提供更加全面、準確、豐富的數字化外業調查數據，進一步提升外業調查質量和效率。