天狼星免像控無人機在高速公路橫斷面測量中的應用

來平軍 陳佳 陳適 馬亞飛

（1.自然資源部第一地形測量隊，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054）

作者簡介：來平軍（1989—），男，漢族，本科，工程師，主要從事工程測量、無人機航空攝影測量。E-mail：549752800@qq.com

1 引言

近年來，隨著交通運輸業的快速發展，我國在山地丘陵區域特別是西部地區修建了大量高速公路，加強了山區與外界的聯系，為山區經濟的發展做出了重要貢獻。在公路勘察設計中，橫斷面測量至關重要，其成果直接影響土石方計算，以及道路平面線形和縱面線形設計、路基填挖邊坡及支擋構造物設計、特殊路基處理，同時還會對公路工程造價產生較大影響[1]。

目前，橫斷面測量主要利用RTK、全站儀等傳統方法進行全野外實測，工作量較大，耗時長，人工成本較高，效率低下，且在山區地勢陡峭、相對高差大，公路橫斷面測量工作難度大大增加，傳統測量手段難以適應山區地形條件。隨著測繪新技術、新裝備的快速發展，無人機航測技術憑借高精度、低成本、操作簡單等優勢，在測繪領域進行了多方探索，適用于多個應用場景。本文結合實際項目，利用天狼星無人機航測技術在免像控情況下，進行公路橫斷面測量的試生產，驗證了天狼星免像控無人機在道路橫斷面測量中的可行性及可靠性。

2 天狼星免像控無人機航攝系統

2.1 系統簡介

天狼星（Sirius PRO）無人機航測系統是由美國拓普康定位系統公司聯合德國MAVINCI 公司研發并生產，推出的全球第一臺免像控無人機航測系統，顛覆了傳統航測需要布設大量像控點的作業方式，在無人機航測領域引起了廣泛關注，自從2015 年引進中國，便迅速在國內推廣，得到了廣大用戶的一致好評[2]。

2.2 系統組成

天狼星無人機航測系統由飛行平臺、飛行控制系統、地面監控系統和內業數據處理軟件組成，操作簡單便捷，可快速完成設備的組裝、調試，執行飛行任務。

2.3 作業流程

（1）空域申請：項目首先要申請空域，空域申請周期一般較長，應在項目正式開始前申請到位，到達作業現場后出示相關文件（空域批復函、任務、工作證、AOPA 飛行證）到當地公安局派出所進行備案登記。

（2）航測方案：根據測區范圍合理布設一定數量的檢查點，用于后期成果檢核；利用地面站軟件MAVinci Desktop 規劃合理的航線方案，該軟件支持多種航線設計方案，適應多種環境下的航線設計，航線規劃完成后上傳到無人機上即可開始實施飛行。

（3）數據獲取：飛行期間，無人機自主跟蹤起飛前制定的飛行軌跡，機載相機自動獲取影像并存儲于無人機，相機獲取影像的同時進行空中RTK 測量，每一張相片的位置信息都具有RTK 固定解的精度，每一張相片所對應的高精度POS 點就相當于一個地面像控點。通過整合精密測時和高精度定位技術，使天狼星無人機在空中即完成傳統的地面控制，達到免像控的作用。

（4）數據處理：天狼星航測系統采用一鍵式數據處理方式，減少了人工干預[3]。飛行結束后取出內存卡，現場利用MAVinci Desktop 軟件進行野外數據預覽及快速檢查；內業處理只需通過MAVinci Desktop軟件將飛行原始數據和基站點成果導入Agisoft PhotoScan，即可一鍵式處理，快速獲取DEM和DOM成果。

2.4 系統優勢

（1）免像控：內置100HZ RTK 接收模塊，無需布設地面像控點便可獲取高精度的測量成果。

（2）智能化的地面站軟件 ：支持多種類型航線規劃，如多邊形航線設計、帶狀航線設計、井字形航線設計、沿地形起伏航線設計；特別是沿地形起伏的變高飛行模式，在固定翼飛機中很少見，既能保證影像重疊率，又能保證無人機的飛行安全。

（3）一鍵式的數據后處理軟件 ：數據處理操作簡單，外業數據一鍵式導入PhotoScan 軟件后，無需任何人工交互編輯操作，最終生成高精度的DOM 和DEM 成果。

3 項目案例

3.1 測區概況

測區位于延安市東南部某一在建高速公路，測區長度約30km，寬度約300m，周圍的基礎控制成果由甲方提供，空域已申請，可隨時開展航測作業。

3.2 外業航飛

（1）檢查點布設及測量：檢查點布設時由于在山區，有些地方人員無法到達，因此未能滿足測區內均勻布設的要求，但是在地形高低起伏變化處都有布設。檢查點標志、位置分布如圖1、圖2 所示。

圖1 檢查點標志

圖2 檢查點分布

檢查點成果測量采用GNSS RTK 方法，RTK 測量前應設置平面收斂閥值不應超過2cm，垂直收斂閥值不應超過3cm；檢查點觀測兩測回，測回間的平面坐標分量較差不應超過2cm，垂直坐標分量較差不應超過3cm，且每點觀測前及測回間應對儀器初始化；RTK 流動站每測回的有效觀測值應大于10 個，取平均值作為一測回結果；測回間的時間間隔應超過60s；測回間平面坐標分量較差不應大于2cm，垂直坐標分量較差不應大于3cm；取兩測回結果的中數作為最終成果。

（2）航線設計：測區為帶狀且地形類別為山地，因此航線設計采用帶狀變高飛行模式，這種航線設計方式避免了傳統飛機在飛行過程中，由于地形落差大導致影像重疊率不滿足要求的現象，也保證了飛機的飛行安全。航線設計參數為：航高198m，分辨率5cm，航向重疊85%，旁向重疊75%，航線設計如圖3 所示。

圖3 航線設計

3.3 數據處理

（1）無人機數據處理：采用臺式計算機進行數據處理，臺式計算機配置：內存64G、Intel CORE i7 7700、顯卡Nvidia Quadro M2000。數據處理時架次之間分開處理，利用MAVinci Desktop 結合Agisoft PhotoScan Professional 軟件進行高度自動化的一鍵式處理，內業4 個小時便完成了兩個架次的影像數據處理工作，得到DOM 和DEM 成果，如圖4、圖5 所示。

圖4 DOM成果

圖5 DEM成果

（2）DSM 生成：用Eps 三維測圖系統將DOM 和DEM成果進行疊加，生成垂直攝影模型成果，如圖6 所示。

圖6 垂直攝影模型成果

3.4 橫斷面成果制作

（1）橫斷面高程點數據獲取：橫斷面高程點數據通過內業在無人機垂直攝影模型成果上進行人工采集，具體步驟如下：

①在南方CASS 軟件下，結合公路的設計中線，過斷面線樁號的點位依次制作垂直于中線的垂線，形成斷面線文件，如圖7 所示。

圖7 斷面線文件

②在Eps 三維測圖系統中加載DOM、垂直攝影模型及斷面線dwg 格式的文件。

③在Eps 三維測圖系統中人工采集斷面線上的高程點數據，如圖8 所示。

圖8 斷面線高程點采集

（2）利用自編CAD 插件自動生成橫斷面高程點數據文件。將（1）采集的高程點數據導入CASS 做輔助線連接斷面高程點，每個高程點處需有一個節點，如圖9 所示。生成的橫斷面高程點數據文件如圖10 所示。

圖9 橫斷面高程點文件

圖10 橫斷面文本數據

（3）利用ZDM 軟件自動生成橫斷面圖，如圖11 所示。

圖11 橫斷面圖

3.5 精度評定

通過對20 個檢查點的精度驗證，無人機航飛的DOM 和DEM 成果的平面精度和高程精度都優于0.1cm，如表1 所示，完全滿足《公路勘測規范》[4]中橫斷面限差要求，如表2 所示。橫斷面成果精度取決于無人機航飛的DOM 和DEM 成果精度，因此評定橫斷面成果精度本質就是評定無人機航飛的DOM和DEM成果精度。

表1 DOM、DEM成果中誤差統計表

表2 橫斷面檢測互差限差

4 結論

經驗證，利用天狼星免像控無人機航測技術開展橫斷面測量滿足相關規范要求，將原來大量的外業工作轉換為內業完成，很大程度上解放了勞動力，降低了生產成本，提高了生產效率。但同時也存在一定局限性，如飛機降落采用機腹著陸滑降的方式，需要一定的降落場地，山區進行比較困難；當植被茂密時，很難通過影像采集到地表，精度會大大降低。因此，項目生產過程中要從實際出發，綜合預算、工期及地形條件等多方因素制定作業方案，以期達到最佳效果。