無人機航測技術在高速公路勘察中的應用分析

楊師章

長沙核工業工程勘察院有限公司 湖南 長沙 410000

引言

無人機航空攝影測量技術是目前全球測繪領域新興的一門技術手段，其原理是將多個傳感器搭載在同一架飛行平臺上，對地物從多個角度進行拍攝，獲取到更全面和完整的地物信息。無人機航測中的三維數據可以真實地反映地物的具體位置、高度和外觀情況等屬性，很好地彌補了傳統測量手段的不足。

1 高速公路勘察技術發展概述

公路是基本的交通要素之一，公路網絡是其他交通方式的重要連接紐帶。依據《國家公路網規劃（2013-2030年）》，國家公路網規劃總規模40.1萬km，其中國家高速公路網規模11.8萬km，由7條首都放射線、11條北南縱線、18條東西橫線及地區環線、并行線、聯絡線等組成，并另規劃遠期展望線約1.8萬km。我國公路建設任務仍十分繁重，新建高等級公路重點已轉移至地形地質條件復雜的中西部地區。這些地方地形地貌條件惡劣，植被往往十分茂盛，如何快速高效地獲取公路工程所需的高精度空間信息，成為當今研究的熱點問題[1]。

傳統的高速公路勘察主要采用航空攝影測量輔之以GPSRTK測量、水準測量的方式，這種方式由于外業工作量大、效率低、數據信息不完整等缺點，隨著無人機航測技術的發展，其具有高效率、高精度、低成本、不受地形條件的限制等優點，逐漸在高速公路勘察領域獲得推廣應用[2]。

2 無人機航測技術基本作業流程與應用要點

2.1 作業流程

無人機航測作業流程如下圖1所示，接收到航測任務后，首先根據任務需要進行測區已有資料的收集，并制訂航飛方案，向空管部門申請航飛空域。無人機飛手作業前需要現場踏勘，了解測區實際情況后，進一步優化作業方案，進行測區分區和航線設計。無人機起飛前，需要進行嚴格的飛前檢查后才可進行起飛作業實施。航飛攝影結束后及時對采集數據進行檢查。最后進行內業數據處理和航測任務所需格式數據生產[3]。

圖1 無人機航測作業流程

2.2 應用要點

2.2.1 資料收集。航測區域資料收集應包括該區域已有各種比例尺地形圖、控制點數據或影像資料，如需使用谷歌地圖等線上地圖，也應提前下載。無人機航測作業人員需要做到充分了解飛行區域地物地貌，需要提前收集該地區氣象情況以及作業計劃日期的天氣預報情況，還需要檢查航測區域起降條件來提前選擇適合的飛行器，注意檢查附近特殊設施等情況，最后還需要研究測區是否有禁飛區域，如果有則提前和相關管理部門申請[4]。

2.2.2 作業實施。仔細檢查無人機系統設備，保證無人機各功能能正常使用，各系統工作狀態正常，如果需要人為協助無人機起飛，則安裝起飛裝置；無人機組裝好后，需再次進行安全檢查，重點注意磁羅盤是否處于正確位置，以及檢查無人機陀螺儀是否正常工作。無人機檢驗合格后，還需對任務載荷設備進行檢查，需檢查相機內存是否足夠，并提前進行試拍，將相機焦距、曝光時間、亮度調整好之后裝入無人機。將無人機與地面站軟件進行連接，啟動地面站開啟定位，依據航線設計設置飛行路線，并上傳至無人機。一切檢查合格后，起飛無人機，通過地面站軟件的監視界面認真觀察無人機飛行姿態和現行位置是否正常，實時監視剩余油量或電池電量。

2.2.3 飛后檢查。無人機飛行完畢后，作業人員回收飛行器并檢查無人機機體完好程度，查看無人機飛行數據，檢查飛行質量是否符合相關標準。如果圖像出現絕對和相對漏洞，需采用同一架次的任務設備進行及時補測。影像質量的檢查要求拍攝的影像必須要足夠清晰，具有豐富的層次、適中的圖像的反差、較柔和的色調。云、影、煙等缺陷不允許出現在影像當中[5]。

4 實例分析無人機航測技術在高速公路勘察中的應用

4.1 工程概況

本項目全長8.203km（均為新建），路幅寬度23m，雙向四車道，設計速度60km/h。測區以山地地形為主，平均海拔為600m，河流橫穿測區，局部區域落差較大。測區植被茂盛，多為常綠闊葉林及低矮灌木。

4.2 無人機航測技術

4.2.1 設備選擇。本項目選用ARS-200系統旋翼無人機LiDAR三維激光掃描系統，見圖2。該系統最大測量距離為330.00m，測距精度15mm，最大有效點頻10萬點/s，位置精度平面0.01m，高程0.02m，俯仰、翻滾角標稱測量精度為0.005°，航偏角為0.012°。公路勘測項目測區主要為帶狀地形，具有長度長，寬度窄的特點，因此只需要往返一條航帶即可完成。

圖2 ARS-200無人機LiDAR系統

4.2.2 航測參數。根據項目要求，需采集設計線位中線兩側各約100m范圍內的數據。航線規劃從高效、經濟的原則出發，綜合考慮儀器設備的性能、地形、地勢、高差、攝區形狀、航高、航向重疊度、旁向重疊度、激光點云密度、GSD等因素，無人機LiDAR航測基本參數，見表1。

表1 無人機LiDAR航測基本參數

4.2.3 航測實施。根據路線走向分為2個架次，每個架次約4～5km，架次之間保證一定的重疊，全線預設一個起飛場。當相對航高為130.0m時，能保證航線下方最低處的點云密度優于30個/m2，同時影像地面分辨率為0.1m，滿足項目的技術要求。地面基站采用雙站模式，采用海星達iRtk2雙頻接收機選擇測區附近兩個首級控制點（四等平面/四等高程）架設地面基站，采樣間隔設置為1秒。

4.2.4 精度分析。為分析和評價無人機 LiDAR 激光點云的成果精度，項目全線布設了2430個高程檢查點，采用GPS-RTK方式測量其平面和高程坐標。檢查點與激光點云吻合情況，見圖3，紅色為實測檢查點，可發現激光點云與實測的檢查點吻合非常好。為了對激光點云精度進行定量評價，利用2430個檢查點平面坐標通過激光點云內插高程與實測高程進行比較，最大高程誤差0.395m，最小高程誤差-0.388m，中誤差0.110m，誤差均值為-0.050m。

圖3 檢查點與激光點云吻合情況

將人工實測的482個橫斷面數據與激光數據進行比對。某實測橫斷面與激光點云的比對，見圖4。激光點云不僅與實測橫斷面吻合得非常好，而且激光點云可以穿透茂密的植被，對地形細節的表達更加精確，可以快速、高效地生成設計人員所需的橫斷面數據，用于路線方案的設計與優化。

圖4 實測橫斷面與激光點云比對

5 結束語

綜上所述，勘察工作是高速公路工程建設的重要內容之一，但是傳統方法存在成本高、效率低等問題，無法滿足當前高速公路建設實際需要，對此必須引進新的勘察技術。無人機航測技術為高速公路工程勘察變革提供機遇，其不僅提高了勘察效率，滿足公路實際勘察需求要求，更是提升了勘察工作的智能化水平。目前無人機航測技術在公路工程建設方面的運用還不夠深入，還需進一步加強軟硬件方面的研究，不斷提升續航能力與影像精度，為高速公路勘察水平的提升奠定基礎。