無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)在非洲公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

侯振國

（山東港通智匯信息技術(shù)有限公司,山東 煙臺(tái)264000）

隨著小型無人機(jī)的普及以及數(shù)字圖像處理軟件的進(jìn)步,低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展和爆炸式普及,其機(jī)動(dòng)靈活、經(jīng)濟(jì)、便捷、高效等特點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域得到了展現(xiàn)。

本文介紹的KCP 運(yùn)礦路工程案例位于非洲國家?guī)變?nèi)亞境內(nèi),道路全長57km,參照國內(nèi)二級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。由于線路較長,且要求盡量少穿越軟基路段、盡量避開低洼及水網(wǎng)密集區(qū)段及不穿越村莊,加上當(dāng)?shù)亟煌顩r極為落后,可供車輛通行道路較少,這就給設(shè)計(jì)選線工作提出了極大的挑戰(zhàn)。為了在限期內(nèi)完成道路選線工作,本次采用了在線路初選后,采用低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)輔助現(xiàn)場踏勘,利用生成的正攝影像對線路范圍內(nèi)的地形、地貌辨識(shí),配合實(shí)地踏勘完成最終的線路設(shè)計(jì)。本文探討總結(jié)了低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)在非洲地區(qū)同類工程中的應(yīng)用。

圖1 KCP 運(yùn)礦路設(shè)計(jì)線路圖

表1 大疆精靈4PRO 無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1 設(shè)備選型

本次采用大疆精靈4PRO 型號(hào)無人機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

采用此型號(hào)無人機(jī)原因有三：其一,本次作業(yè)區(qū)域?yàn)橹袊惩?且無人機(jī)屬于特殊測量設(shè)備,采用較大型號(hào)無人機(jī)會(huì)涉及到海關(guān)及技術(shù)限制等因素影響,手續(xù)較為繁瑣,大疆精靈4PRO 型無人機(jī)體積較小,屬于民用產(chǎn)品,受到限制較少,且攜帶方便,在搭乘飛機(jī)時(shí)可以隨身攜帶,不用托運(yùn)；其二,其他體積較小的無人機(jī)要么不具備攝影測量功能,要么無法在中國境外使用。其三,大疆精靈4PRO 無人機(jī)單機(jī)價(jià)格較低,由于無人機(jī)炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較高,尤其是在山區(qū)地勢落差較大和地面植被較為茂密的測區(qū),從經(jīng)濟(jì)因素考慮,改型號(hào)無人機(jī)無疑是最佳選擇。

除了無人機(jī)以外,還需要一臺(tái)圖形處理工作站及相關(guān)圖形處理軟件,本次使用的軟件有CC、Pix4D、ArcGIS 等圖像處理軟件。

2 工作流程

大致工作流程如下圖：

圖2 無人機(jī)航測工作流程圖

由于大部分非洲地區(qū)的缺少統(tǒng)一的地理框架數(shù)據(jù),能為我所用的數(shù)據(jù)更是少之又少,依據(jù)前期在非洲地區(qū)道路施工經(jīng)驗(yàn),道路設(shè)計(jì)方一般首先在第三方軟件（谷歌地圖或者奧維地圖等）公共數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行線路初選,然后進(jìn)行征地和清表,地面清表工作完成之后布設(shè)施工控制網(wǎng),所以在選線期間進(jìn)行的攝影測量都是無像控?cái)z影測量。進(jìn)行航拍之前應(yīng)該先將初步設(shè)計(jì)線路圖形文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后導(dǎo)入到攝影測量航線規(guī)劃底圖中,為規(guī)劃航線所用。

在航拍外業(yè)工作完成后,使用專業(yè)軟件Pix4D 進(jìn)行拼圖,生成正攝影像,然后再利用專業(yè)的地理信息軟件ArcGIS 進(jìn)行坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換,最后提供給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行內(nèi)業(yè)辨識(shí)和篩選需要實(shí)地外踏勘區(qū)域,踏勘完成后,結(jié)合正攝影像圖上進(jìn)行線路優(yōu)化,優(yōu)化完成后,提取線性文件,形成最后的設(shè)計(jì)文件。

3 效率及成分析

本次為了提高外業(yè)航拍效率,采用多臺(tái)無人機(jī)協(xié)同作業(yè),投入3 臺(tái)無人機(jī),30 塊電池,兩臺(tái)越野車。

圖3 KCP 運(yùn)礦路設(shè)計(jì)線路優(yōu)化對比圖

線路設(shè)計(jì)第一段約14km,按照設(shè)計(jì)要求寬度200m 寬度作業(yè),單機(jī)作業(yè)累計(jì)5 天完成本段外業(yè)拍攝。剩余路段再投入3 臺(tái)飛機(jī)作業(yè)的前提下,2 周完成了所有外業(yè)作業(yè)。

通過本次整個(gè)設(shè)計(jì)選線過程對比,采用低空無機(jī)攝影測量技術(shù)輔助選線,選線工程師外業(yè)踏勘工程量相對以前減少了90%。整個(gè)57km 的線路,通過內(nèi)業(yè)辨識(shí)和確認(rèn),設(shè)計(jì)人員僅需對軟基路段和跨河路段進(jìn)行實(shí)地踏勘,其余路線范圍均通過正射影像在室內(nèi)辨識(shí)和優(yōu)化即可,低空無機(jī)攝影測量技術(shù)的運(yùn)用為設(shè)計(jì)工程師在限期內(nèi)高質(zhì)量完成選線工作提供了強(qiáng)有力的支撐,也是低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)運(yùn)用的一個(gè)創(chuàng)新。

本次硬件投入成本及主要交通費(fèi)用統(tǒng)計(jì)如下：

表2 設(shè)備及主要費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

4 成果對比

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

5.1 無人機(jī)運(yùn)輸時(shí)效性

長途運(yùn)輸有海運(yùn)和航空運(yùn)輸兩條途徑,海運(yùn)從在國內(nèi)報(bào)關(guān)、裝箱、海上運(yùn)輸再到目的地清關(guān),前后要經(jīng)歷2 個(gè)月的時(shí)間,顯然運(yùn)輸過程太長,時(shí)效性不好,因此,航空運(yùn)輸成為了首選。由大疆精靈4PRO 于其體積較小,可以作為隨身行李攜帶。

5.2 需配備足夠的電池?cái)?shù)量

由于是大面積攝影航拍,需要連續(xù)作業(yè),無人機(jī)的電池續(xù)航時(shí)間成為了一個(gè)關(guān)鍵的制約因素,解決這一不利因素的唯一辦法就是增加電池?cái)?shù)量,配備足夠的電池?cái)?shù)量來滿足一天的工作需要,我們按照每臺(tái)無人機(jī)配備10 塊電池的配額設(shè)計(jì),基本滿足航拍需要。

5.3 避免炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)

由于飛行區(qū)域多為山區(qū),地勢起伏變化較快,地面植被多樣且高度不一,所以選擇合適的起飛點(diǎn)和飛行高度非常重要。建議選擇較高的開闊區(qū)域起飛,飛行高度要高于區(qū)域內(nèi)最高的地物或樹木,一般飛行高度選擇在100 米左右（非洲地區(qū)一般沒有飛行高度限制）。

空中飛鳥也是對無人機(jī)安全威脅較大的一個(gè)因素,如果無人機(jī)飛行高度在60 以下,很容易遭受飛鳥攻擊,造成炸機(jī)事故。

6 應(yīng)用前景探索和技術(shù)展望

6.1 應(yīng)用場景

除了前面所說的道路選線方面的應(yīng)用外,在土石方計(jì)算及礦山儲(chǔ)量計(jì)算方面,無人機(jī)攝影測量也有很廣闊的前景。現(xiàn)在非洲地區(qū)處于礦山開發(fā)的高峰期,且都為露天開采,而此類工程所涉及的土石方量計(jì)算任務(wù)非常巨大,采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法耗時(shí)長,效率低,采用無人機(jī)傾斜攝影測量,對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建,生產(chǎn)點(diǎn)云集和三維模型,無論是在經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性上都會(huì)有非常不錯(cuò)的效果。

6.2 對激光雷達(dá)相機(jī)的呼喚

一般無人機(jī)搭載光學(xué)相機(jī),由于光學(xué)相機(jī)的成像原理和特點(diǎn)決定了在地表被植被茂密的區(qū)域,即使再漂亮的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)也無法準(zhǔn)確獲知真實(shí)的地表地形數(shù)據(jù),這使得另外一種成像方式就呈現(xiàn)在人們的視野中,那就是機(jī)載激光雷達(dá)相機(jī)。但是由于該設(shè)備的造價(jià)成本太高,對搭載平臺(tái)有一定的要求,因此普及應(yīng)用尚需時(shí)日,期望隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展,這種設(shè)備也能像現(xiàn)在的無人機(jī)一樣普及到我們的日常工作和生活中。

隨著科技的發(fā)展,跨領(lǐng)域融合應(yīng)用變得越來越普遍,行業(yè)的界限也越來越模糊,先進(jìn)的技術(shù)只有不斷的把它創(chuàng)新應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,才能發(fā)揮出更大的效用,更好的服務(wù)于我們的生活。