无人机摄影测量技术在道路工程中运用

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摘要:道路工程测量工作是道路工程建设规划设计、施工建造、运营养护管理等各个阶段的基础工作和重要保障。为积极探索新技术、新工艺在道路工程测量中的应用，提升测量工作的质量与效益，结合道路工程建设特点，就道路工程测量技术的更新应用，推进测量工作效率提高、有效降低经济成本的同时，确保测量数据信息的质量进一步提升，展开具体的论述。首先，概述了无人机倾斜摄影测量技术基本特点;其次，结合实践分析无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用要点;最后，提出无人机倾斜摄影测量技术应用中质量控制和管理方法。

关键词:无人机;倾斜摄影测量技术;道路工程;测量

无人机倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新型技术，倾斜摄影测量不仅可以生成还原现实的真三维模型成果，带有空间位置信息的可量测影像数据，可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，还能生产输出DSM、DOM、TDOM、DLG等多种数字化地理信息成果。无人机倾斜摄影测量适应各类复杂的野外环境，可快速采集影像数据，实现全自动化三维建模，具有测量成本低、工期短、省人力、易转场等特点。目前，此技术被广泛应用到建设工程各个领域，在道路工程基础设施建设各个阶段中，也发挥着重要的作用。

1无人机倾斜摄影测量技术的基本特点

传统的道路测量作业模式下，采取常规仪器+人工的方法，由于点多线长，需要布设一定等级和数量的测量控制点，工作效率的提升受到局限。从测量作业的方式分析，采用无人机倾斜摄影方法，可以实现“人在空中数据尽收”的效果，提高了测量工作的效率，极大限度替代人员地面测量作业，以及现场不利环境的影响，保障测量作业的质量。道路工程测量外业作业中，采用无人机作业、少量调绘辅助测量，充分利用GNSS-ＲTK辅助空中三角测量导航与定位，助力内外业数据资料采集工作的同时开展，最大限度减少对地面控制点的数量要求，不仅可以缩短外业作业时间，更重要的是做到了充分利用现代先进技术、确保了测量数据的质量可靠，促进经济效益、社会效益全面提升。

2实例分析道路工程无人机倾斜摄影测量技术的应用

2．1案例概述

以某道路工程项目为例，带状测区长度为1km、宽度为70m，面积为0．07km2，测区内地物地貌复杂，若采用人工+常规仪器的测量方法，需要花费大量人力、物力和时间。采用了无人机倾斜摄影测量技术，通过基础资料、技术资料收集、现场踏勘调查，获得完整翔实基础的数据和资料，制订科学合理测量技术方案、规划设计飞行路线，保障了测区的全面覆盖，为后续工作提供可靠保障。现结合工程实践，进行具体分析。

2．2测量方案分析

本次测量外业数据信息的采集，采用无人机倾斜摄影方法，使用了大疆经纬M300ＲTK无人机，配置了睿铂D2-PSDK五镜头，五镜头的基本参数如下:(1)外形尺寸大小为190mm×180mm×80mm;(2)相机整体重量为850g;(3)传感器尺寸为23．5mm×15．6mm;(4)相机总像素≥12mp;(5)其他参数。内业数据信息的处理使用的是Smart3D三维建模软件，DLG线划图的生产使用的是基于CAD平台的南方测绘Cass3D专用软件。结合现场实际情况，运用了部分人工测量调绘方法，使用SETIX全站仪，主要采集部分受遮挡严重的地物、地貌点平面与高程数据信息，比如大树下的建筑物角点。为检验无人机倾斜摄影测量技术的应用效果，通过无人机倾斜摄影测量特征点的平面以及高程成果、基于Cass3D采集的特征点三维坐标与全站仪(或ＲTK)人工采集的相同特征点的三维坐标，展开数据对比分析、计算统计，进而评定测量成果的精度。

2．3测量作业的要点

2．3．1控制测量

道路工程测量作业中，平面控制测量的开展，采用的是网络ＲTK技术手段。利用COＲS系统采集城市平面坐标控制点(x，y)，ＲTK平面控制点测量中设置流动站技术要点:(1)组织观测作业前，对仪器设备进行初始化，进而获得固定解，如果长时间无法得到固定解，可通过重启仪器，之后开展初始化操作。(2)每次进行观测作业前，均要进行流动站的重新初始化。(3)作业时如果出现卫星信号失锁的情况，则要重新初始化，完成重合点测量检测，达到合格要求后再开展后续测量作业。(4)测量作业开展前，都要进行1个同等级或者高等级已知点的校验和核查，平面坐标较差＜7cm。(5)使用的数据采集器设备设置控制点的单次观测的平面收敛精度＜±2cm。(6)ＲTK平面控制点测量需使用三脚架加基座对点器架设流动站，必须严格对中和整平，观测要求每次历元数不少于20个，采样间隔控制为2～5s，各测量的平面坐标较差＜±4cm。本次测量作业中高程控制测量，在满足技术规范要求前提下，利用测区范围内1个已知高等级高程控制点，结合像控点形成闭合水准线路，使用电子水准仪按照四等水准测量的方法观测，水准线路长度为2．42km，实测高差闭合差为0．6mm。借助现有的高程控制点ＲTK数据信息，在市级测绘基准服务平台COＲS精化出区域高程。为了对比无人机倾斜摄影测量技术与传统人工测量模式的精度，作业时设置的控制点、像控点和检核点，按照相同的方法进行测量。人工测量作业方法的应用，设置了4个控制点。航测像控点间距控制在150m左右，总计布置了6个，设置了6个像控检查点。

2．3．2无人机倾斜摄影测量技术

道路工程测量作业中采用无人机倾斜摄影技术，根据测区范围KML文件现场勘察，设置像控点和检查点，结合实际情况规划航线和航高，确定作业的方案。作业时基本参数设置如下:(1)航高设置为100m;(2)分辨率设置为13．7208mm/pixel;(3)航向重叠度为80%;(4)旁向重叠度为75%;(5)航线外扩测区1倍的航高即外扩100m。总计采集3345张影像资料。

2．3．3空中三角测量的计算

外业数据信息的采集完成后，使用SkyScanner导出倾斜相机原始数据，整理拍照位置信息和相机有关参数以及姿态矫正等数据，经过整理之后按照要求一键导入瞰景Smart3D，开展空中三角测量的计算。一般来说，空中三角测量的计算主要分为两次。在具体计算时按照以下流程:(1)第一次，采用姿态辅助平差模式，经过计算后导入自定义坐标系文件，再导入像控点和检查点，开展刺点工作。(2)完成上述操作后，启动第二次空中三角测量的计算，以控制点平差方式进行计算，控制点、高程、检查点的水平误差，分别为8．4mm、0．7m、35mm。空中三角测量的计算结果如下:(1)像控点误差。三维误差中位数为0．0084m;水平误差中位数为0．0084m;高程误差中位数为0．0007m。(2)检查点误差。三维误差中位数为0．0347m;水平误差中位数为0．0347m;高程误差中位数为0．0003m。

2．3．4三维建模成果与DLG线划图生产

按照技术方案，三维重建结束后生成三维倾斜模型使用OSGB格式。OSGB成果导出后再使用Cass3D三维测图软件生成DLG线划图，并且提取道路房屋等地物特征点，比如人行道横线角点和车行道可变车道角点等，按照均匀分布的原则提取，总计提取887个特征点。除此之外，还组织人工现场调绘测量获得数据，开展对比分析。

2．4精度与效率

精度分析:(1)特征点分析。对使用三维模型提取的特征点，与人工全站仪设备测量结果，展开对比分析，经过计算平面和高程中误差分别为3．3cm、1．9cm。根据数据显示，高程中误差3cm以内的检查点占据72%;5cm以内的检查点占比为93%。(2)道路断面数据对比分析。根据三维模型中提取断面与人工作业测量的数据对比，断面对比抽取两处，实际测量宽度参数为12．10m与14．00m;三维模型量测参数分别为12．11m与14．01m，道路宽度差值以及断面高程差值都为1cm左右，可以达到技术要求。测量作业的效率。使用无人机技术方案，外业作业配置两名工作人员，像控、飞行作业2h;内业建模4．5h;三维测图1．5h，总计花费8h。采取人工作业需要配置3名工作人员，2天15h完成外业作业，2h完成内业地形图绘制。两种方法对比，无人机作业的效率显著高于人工作业。

3无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用策略

3．1优选装置与设备

道路工程测量中采用无人机倾斜摄影技术手段辅助作业，为了能够保障测量工作的质量、安全以及效率，需要做好事前的各项准备工作。一般来说，测量作业离不开各类装置和设备的支持，在选择设备与装置时需要做好对比分析，保证设备装置的性能可以达到使用的要求［1］。目前，行业市场中出现了很多新产品和新装置，能够为无人机倾斜摄影作业的开展提供多样化选择，但部分产品具有缺陷和不足，工作人员要结合各类产品的特点，根据作业的需求，对设备的性能展开对比分析，选择适宜的无人机类型，配置高性能摄影装置。组织开展作业前，需要对使用的装置和设备进行全面检查，消除潜在的风险。在日常使用方面需要做好设备和装置的维护检修，及时发现存在的问题，保障作业的安全和效益［2］。

3．2构建完善的摄影系统

近年来，无人机倾斜摄影技术不断升级，使得摄影功能更加丰富实用，能够为测量作业提供更好的支持。为了发挥无人机倾斜摄影技术的应用价值，需要构建完善的航测系统。传统的航空摄影技术应用，只能从垂直角度拍摄地物，采用新型技术手段通过搭载专业五镜头相机，能够从多个角度采集影像资料，可以弥补传统技术的不足［3］。目前，市场上的无人机类型很多，如果按照动力系统划分，则可以划分为内燃机动力无人机和电池动力无人机。在实际选择时，需要围绕无人机的载重、巡航速度以及续航时间等技术标准，做好相应的分析对比，选择适宜的设备满足作业要求。构建无人机倾斜摄影系统时，还需要考虑到相机的性能。在实际应用中根据道路测量作业的技术和质量要求，合理配置相机装置，一般来说，可以选择五镜头、三镜头或者双镜头。

3．3设计科学合理的飞行航线

无人机倾斜摄影技术的应用需要制定科学完善的飞行航线，保证飞行的范围能够覆盖整个测量区域，获得完整的数据信息，在具体设计时需要确定航摄的高度，根据测量任务的具体要求，选择地面分辨率，按照公式计算H=f×GSD/α。式中:H为飞行相对航高，单位m;f为摄影镜头的焦距，单位mm;α为像元尺寸，单位mm;GSD影像的地面分辨率，单位m。航向重叠度的设置一般应为60%～80%，最小不小于53%;旁向重叠度一般应为15%～60%，最小不小于8%。在进行方案设计时，需要结合区域内部的建筑物以及其他元素分布情况，选择最佳的设计参数。测量区域内的建筑密集度高，则会影响到飞行的正常运行，如果设计的航线重叠度不足，那么在拍摄时很容易出现数据信息质量不达标的情况。通常来说，影像重叠度越高，那么相同区域数据量就越大，而数据处理效率则越低。采取五向飞行，即对目标进行前、后、左、右、上五个方向航拍，前后左右航线的角度为约45°倾斜，上方航线为－90°正摄。按照测量技术及设计要求，像控点的目标影像应清晰，选择在易于识别的细小现状地物交点、明显地物拐角点等位置固定且便于量测的地方。在具体设计时需要做好综合分析，考量各类因素的不良影响，保证设计的参数能够达到要求，每次飞行结束，对航向重叠、旁向重叠范围保证等元素逐一检查，对不符合要求的部分必须进行补摄或重摄。

3．4做好人员的培训

无人机摄影测量技术具有较强的专业性，需要测量工作人员能够掌握技术操作的方法和要点，严格按照技术标准开展各项工作。测量作业前，需要对参与测量工作的人员进行业务培训，使其能够掌握基本的理论知识和熟练的操作技能。测量工作人员在作业中必须按照技术标准和规范要求开展飞行测量，整个作业期间都必须做好飞行监督检查，及时发现和处理现场出现的问题。

结语

综上所述，道路工程测量实践中采用无人机倾斜摄影技术手段，具有技术先进、质量可靠、效率高等各个方面的优势，从项目测量实际分析，编制合理技术设计书、制定完善的飞行路线，选择适宜的飞行装置和设备，提高测量作业人员理论水平、操作技能，保障工程测量工作高效、有序化开展，切实保障测量结果的精确和真实。

作者：李辉 单位：湖南交通职业技术学院