無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用分析

黃麗霞

（廣西壯族自治區地理信息測繪院，廣西 柳州 545006）

1.引言

過去我們使用傳統的航空測量技術進行公路帶狀地形測量作業，不僅受到天氣條件和機場條件的影響，而且測量成本大、航拍周期長、等高線存在誤差。現階段，無人機航測系統在公路地形測量測繪中的應用不斷增大，無人機航測系統具有機動靈活、精準高效等特點，能夠對一些危險區域或工作人員無法到達的地域進行測繪。無人機航測系統在公路帶狀地形測量工作中可以快速低成本地拍攝出分辨率與清晰度高的地形影像，為公路設計提供有價值的參考數據。

2.無人機航測系統的組成結構

無人機航測系統是繼大飛機航測與衛星技術之后的又一重大技術，它基于無人機飛行平臺，采用分辨率高、清晰度高的數碼相機采集地形測量數據并生成影像。無人機航測系統也稱自動化測繪系統，具有成圖快、成本低、誤差小等測量優勢，在環境、土地、資源等信息采集工作中得到廣泛應用。無人機航測系統的主要結構是飛行平臺、飛控系統、地面監控系統、地面保障設備、數據處理系統、任務設備等，飛行平臺是由無線遙控操作的無人駕駛飛行器，無人機航測工作常用的飛行器為固定翼無人機，其次是旋翼無人機與無人飛艇兩種（固定翼無人機的飛控要求比旋翼無人機低，操作簡單，作業效率高；無人飛艇的懸停時間長，適用于監視作業。）飛控系統飛控計算機、GPS、氣壓高度表、飛行控制器等元件組成，主要控制飛行器的飛行狀態和運行參數，完成無人機航測系統的定位、導航、自主飛行工作。地面保障和地面監控系統分別為無人機支持系統與監控計算機、地面電源、電臺天線等系統。數據處理系統可以對飛行器拍攝回來的影像進行處理，校正畸變影像、獲取數字地面模型（DTM）、數字劃線圖（DLG）、數字正射影像圖（DOM）等測量成果。任務設備是飛行器用來航拍公路帶狀地形圖的數碼相機，無人機航拍系統使用的數碼相機影像高清，地面分辨率高[1]。

3.無人機航測系統的地形測量步驟

現階段，測繪領域對無人機的航測精度提出更高的要求，研究人員通過選材進一步提升無人機的飛行穩定性與拍攝像素等方面，獲取精準度高的測量數據，方面測繪人員分析公路區域的帶狀地形[2]。借助無人機航測系統測繪公路帶狀地形圖的基本步驟如下：

首先，根據測繪方案確定測量任務、航測范圍、飛行路線以及設定無人機的航攝參數。飛行路線需要覆蓋公路區域的帶狀地形，為提高航測系統的作業效率，可以將測量區域劃分為幾段，段再分帶。航向覆蓋重疊度要求在60%～80%之間，可有效避免航測漏點，旁向要求覆蓋率在15%～60%左右。飛行方向可選擇南北向或東西向，也可沿河流、海岸方向飛行。其次，根據數碼相機的分辨率、測繪作業精度要求、測圖比例確定公路帶狀地形測量作業高度。確定航高時可以根據公式：

H 即航高，f 為攝像鏡頭焦距，GSD 為影像分辨率，a 像元尺大小。最后是像空點的選擇，像空點最好是特征清晰或垂直方向沒有重疊區域的地物。常用像空點如斑馬線、行車線、平房屋角等。如無人機航測系統的航拍范圍沒沒有可用地物，可以布設高程控制點與平面控制點。像空點密度要求符合《地形圖航拍攝影測量內業規范》（1∶500、1∶1000、1∶2000），精度要求符合（GB/T 7930-2008）。航測時選擇晴朗天氣，時間定在9∶00～16∶00 左右，這個時間段地面陰影面積小，地表清晰度高，拍攝畫面清晰、準確[3]。最后，內、外業測繪和驗收結果，對公路區域的植被、建筑物、線路、水系進行調繪，完成高程標記測量與外業補測，實地勘測地形情況，補漏修改測繪內容，借助全站儀和GNSS 靜態提升圖像精度，突出航測優勢，促進系統設計的優化處理。

4.工程實例

4.1 工況

以使用無人機航測系統采集的黃山市205 國道公路的帶狀地形測量數據為例，該205 國道公路的設計等級為二級，該路總長28.88 km 左右，以1∶50000 線路中線為基礎，向兩側拓展250 m,形成長28.8、寬500 m 的帶狀區域。按照要求需測繪1∶2000 的公路帶狀地形圖，在航測開始前選擇起點與終點，起點為線路北端萬安加油站，終點定為線路南端臨溪鎮的潤一山莊。205 國道公路區域屬于山間盆地地貌，帶狀地形區域有低丘緩坡，野外測繪難度較大，交通不便捷[4]。

4.2 航空攝影

選擇全站儀與GNSS 靜態導線結合法，沿公路5 km 處布置GPS 控制點，加設間距500 m 一級導線點、四等高程導線。航線方面結合帶狀地形寬度設計4 個飛行架次，航飛平臺選擇zc-2YS09 系統，相機焦距設定35.51 mm，航拍氣候條件選擇晴朗、無霧霾天氣，航拍時間9∶00-16∶00，總共拍攝相片221 張[5]。橫向覆蓋增設20%寬度，分辨率0.12 m。測繪控制點的選擇可以根據全站儀與GNSS 靜態的測量確定，相片控制點選擇方形噴繪，制作控制點標志，在不同復雜地形環境中沿線路中線周邊測控，布設相片控制點，設置黑白色三角符號。最后借助全站儀和GNSS 靜態測量相片控制點，提升帶狀地形測量精度，增強控制點精度。

4.3 內業測圖

空三角加密計算時，數碼相機坐標殘差值應符合各項標準規范，重視相點內側坐標，定向分析計算相機坐標殘差值，避免忽略掉系統偏差以及主電位置偏差，經自檢校平差消除掉折光。均勻處理連接好各連接點，完成相對定向校平工作。自動點的數量不超過30 個。計算絕對定向時可以分成三個不同的區域進行測繪計算，處理好接邊工作。內業測圖工作使用全野外刺點側圖點，借助內測數據建立模型，當相鄰曲線間距在5mm 范圍內時，可使用首曲線插繪方式。在高程變動較大位置，特設計數點，在樹木隱蔽位置讀兩次以上高程點，讀數誤差小于0.4m，數的標記為0.1m，當植被被覆蓋時，根據植被高度進行處理。測繪范圍內需要對各級道路、地物、管線、河流、村鎮等進行高精準地測繪，按照13/cm2進行標記[6]。明確劃分標記測繪范圍內的建筑物周邊土地和植被，區分處理用材林和經濟林，標注好水田、旱田以及蔬菜果園。最后借助CASS 系統軟件將矢量地形圖片轉化為格式地形圖。

4.4 外業調繪

傳統的外業調繪工作的難度系數大，受到環境、天氣與交通等諸多因素的影響，外業調繪是在內業測圖完成之后，按照國家測繪標準使用地形圖紙打印等方式進行補漏改錯的作業手段。使用無人機航拍系統對公路區域的帶狀地形與地物進行野外調查繪圖，可以降低野外實測的難度，提高外業測繪工作的效率，縮短外業調繪周期。由于帶狀地形較為復雜，完成全要素調繪的工作量較大，我們可以高精度的DEM 和DOM 系統完成內業測圖工作，然后內業配合完成外業調繪工作，減少外業調繪的工作量。工作人員使用航攝像片進行調繪時需要完成調繪前準備工作、像片判讀、地物元素綜合取舍、調查的相關數據，然后補測新地物、清繪，完成接邊和驗收工作[7]。最后，按照每幅圖10～15 個像控點的比例使用全站儀檢測成圖精度與空三加密成果。

4.5 成果精度檢查

成果精度檢查與驗收是測繪作業的最后步驟，測繪作業是一項非常復雜、細致、技術性強的工作，測繪人員需要隨時檢核、復查測繪作業，檢測地形圖要素質量。首先，逐桿調繪電桿、鐵塔、電纜等，明確區分高壓線路與低壓線路，標記出線路電壓值、光纜、通信線路等，明確線路走向；其次，實地調繪測區的路面情況、寬度、長度、公路等級、周圍環境等；完成植被的調繪工作，標記好植被符號，對耕地和菜地進行調繪，調繪草地、荒草地、高草地和半荒植物底，調繪灌木林與竹林，調繪森林、疏林、苗圃。最后，統計分析所有的地形點與地物點，有效處理地物點的點位偏差，保證地形測圖精度滿足公路勘測各項標準，提高測量結果的可信度[8]。

5.結語

通過對無人機航測系統在公路帶狀地形測量測繪中的應用分析，可以了解到無人機航測系統遠超傳統航空測量技術，無人機航測系統的操作簡單，航拍畫質高清，等高線差值小，測繪出來的地形圖誤差少。在實際公路區域的帶狀地形測量工作中，通過對像控點布設、內業測圖、外業補測等提升測圖精度，降低地形圖誤差，減少人力成本投入。隨著無人機航測系統的不斷完善與更新，可以為公路帶狀地形測量領域提供更大的便利，即使在惡劣天氣也能夠獲取符合標準的彩色影像，促進我國測量技術的提升。