无人机在高原、高海拔、高寒地区公路测量中的应用

2017-04-27强王俊伟

四川水泥 2017年2期

关键词：外业海拔高原

熊强王俊伟

(绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司四川绵阳 621000)

无人机在高原、高海拔、高寒地区公路测量中的应用

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(绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司四川绵阳 621000)

随着我国西部大开发战略的持续推进，对西部公路建设、管理和维护工作提出了更高的要求。由于西部地区主要位于高原、高海拔、高寒地区，特殊的地理环境无形中增加了公路测量的难度，因此，采用无人机进行公路测量就显得尤为重要。本文从高原、高海拔、高寒地区对无人机测量影响入手，探讨无人机在高原、高海拔、高寒地区公路测量中的应用，以供参考。

无人机；高原地区；高海拔地区；高寒地区；公路测量

随着我国社会和经济的快速发展，西部交通路网建设也取得了长足的进步。但是，西部高原、高海拔、高寒地区由于地理环境特殊、气候条件恶劣，使公路测量面临极大的困难。随着无人机技术和数字测量技术的不断发展，使无人机航测具有全天候、低成本、高精度等技术优势，目前被广泛应用于地质勘探、地形测绘、地质灾害监测、航空摄影和军事测绘等领域。在公路测量中，无人机主要利用自身携带的高分辨率相机对公路沿线区域进行影像自动拍摄和获取，并具有信息数据压缩和传输、影像预处理、航速规划与监控等功能。实践证明，无人机在公路测量中，具有较高的智能化程度、低空作业能力、高分辨率数据采集能力和飞行可靠性，能够有效提高高原、高海拔、高寒地区公路测量工作的质量和效率。

1 高原、高海拔、高寒地区对无人机测量的影响

1.1 地理环境的影响

我国高原、高海拔、高寒地区主要集中在西部地区。该地区地广人稀、交通不便，使无人机测量作业受到严重影响，主要表现在：一是该地区空气较为稀薄、气压较低，对无人机性能提出了较高的要求；二是深入崇山峻岭之中，对无人机作业和保障提出了严峻的挑战；三是由于大山遮蔽，使无人机通信距离受到严重制约，无形中增加了测量难度。

1.2 气象条件的影响

高原、高海拔、高寒地区气象条件较为恶劣，气候变化差异性大，公路沿线时常跨越多雾区、峡谷风道区、地形抬升区、永久冻土区等多种特殊地段，“微气象”变化较大。浓雾、低温、大风、雨雪等气象条件都会对无人机飞行和测量造成较大的影响，甚至可能造成坠机等严重事故。

1.3 低温的影响

高原、高海拔、高寒地区气温通常较平原地带、低海拔地域要低，特别是高寒地区年均气温通常在零度以下，不仅对作业人员影响较大，还对无人机性能要求较高。实践表明，当气温低于 40C时，无人机的锂电池电解液会变稠或凝结，使电池充、放电效率和电池电量降低，严重制约了无人机的工作时长。[1]

2 高原、高海拔、高寒地区无人机在公路测量中的应用

2.1 无人机测量系统组成

无人机测量系统主要包括无人机飞行器系统、有效任务载荷和地面保障系统组成。其中，无人机飞行器系统又包括：飞行器平台、推进系统、飞行控制与导航系统、数传系统机载部分、起降系统机载部分等；有效任务载荷包括：高分辨率航空相机、小型合成孔径雷达、高光谱成像系统、气象传感器包、新型红外相机等；地面保障系统包括：起降系统地面部分、数传系统地面部分、地面监控系统、地面后勤人员、其它辅助设备等。

2.2 无人机测量系统作业流程

无人机测量系统作业流程通常包括内业和外业两部分。其中外业主要工作流程为：高原、高海拔、高寒地区公路沿线现场踏勘、无人机航线设计、航拍影像数据并进行检查、像控布防方案设计及外业像控点量测等；内业主要工作流程为：无人机航拍影像数据预处理、空中三角测量、数字线划图DLG采集、外业调绘及成果检查、内业高程数据修正获得满足精度要求的DLG成果、成果资料整理与归档等。[2]

2.3 应用实例

4D产品生产

我单位16年5月筹备组建无人机数字化摄影测量系统，极短时间完成相关技术学习，人员培训，自己组装双发固定翼无人机，完成相机标定，组建10人航测内外业队伍，有完成外业航飞、内业数据处理的能力，生产4D、三维模型等产品，短短半年完成别人几年筹备计划，完成绵阳三台一环路、景观大道、绵阳108国道、凉山会理米易路新线、西藏山南扎郞县80公里改线、西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新线等项目的三维模型、4D产品。完成320公里各种等级、困难地区的道路航测勘察任务。本文着重以西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新线为例介绍、探讨无人机航测与公路设计。

（1）线路概况。项目西藏那曲，线路主线上高原和高原峡谷各占一半、东西走向、100公里，支线70公里。此线路具有其他线路相同的特点，如线路曲折多变、需范围很窄（仅需老路左右200米）等。又有自身的特点，如海拔高（平均海拔4800、4100～5200米），高差大（高差1100米左右）。作业时间 12月-1月，室外气温-26～2℃。温度低会影响无人机的动力锂电池工作，缩短工作时间。部分地段是峡谷地形、峡谷底部仅50米不到。业主对坐标系没有特殊说明。为了项目后期便于作业，椭球采用WGS84，平面坐标系用高斯投影、三度分带，线路全部位于31经区，中央子午线93°。高程坐标系假定，采用海拔高。

（2）作业过程

1）基础控制测量。根据项目需求，控制测量等级按常规GPS四等，四等GPS控制网的观测和平差解算是高程网和平面控制网同时进行，仪器、人力有限和工作效率考虑，采用6台华测I80GPS观测，CGO平差解算，观测和解算完全按照四等GPS规范要求进行。无人机航空摄影

① 制定航飞计划，根据项目需求（优于1/500），测区情况，线路走向，需改线区域，地形高差，无人机续航时间，起降场地等规划起降场地和航线。由其自身特点，所需宽度很窄，抗风性弱，基高比，内外业工作效率，后期数据处理，质量和精度等综合考虑，建议重叠度为航向75%、最小不低于55%，旁向75%、最小不低于50%。地形高差，设为一个航高，同一架次可以分为多个航高。对线路走向变化不大部分，可以采用平行航向，线路曲折，可以采用斜飞航向，保证有效重叠和线路覆盖。无人机航线采用折线拟合的方法。本线路航迹如下所示。

② 外业航摄、差分POS解算、航飞资料质量检查。温度基本都在零下，注意电池的保暖（电池贴暖宝宝效果还可以）。温差大导致气流变化大，无人机抗风能力弱，航摄尽量安排在9.0-1.0点。考虑到控制网已经完成，所以差分POS采用是PPK模式，用waypoint解算的。由于工期紧张，航飞资料的不可能等后期处理发现问题，采用Pix4D进行初步处理和检查，主要是以下几个方面：重叠度是否达标，抽查影像是否清楚和损坏，POS和影像数是否一致，范围有没有全覆盖，相机设置是否正确等。

③ 像控点测量。主要有布设地标，测量已有地物两种，布设地标需要在航摄前完成，航摄工期紧张、工序繁杂、地物较多（桥涵直角处、独立石头、道路交叉处、房角、季节性水坑锐角处、小而矮灌木丛、沟渠头），采用先飞后测量明显地物的布设方法，像控点测量采用单基站RTK方法进行，由于GPS控制点一般远离线路，所以在路线附近设站，工程参数按照上述输入，做基站平移，复核2-3个已知点。由于路线特殊性、海拔高、缺氧、人体力考虑，没有按照常规的几条基线或者航带布设，而是按距离布设。峡谷地段，沿线路走向每 200米布设一对，尽量距老路 100米左右，保证线路可能经过地方最近三个点构成正三角形。高原地段，由于地势平缓，沿线路走向每 300米布设一对，尽量距老路 150米左右，保证线路可能经过地方最近三个点构成正三角形。像控点必须在航飞范围里面，改线的区域一定被控制点包括在内。同时测量部分地物点坐标用以检核航测成果的准确性。

④ 数据处理，

相机拍摄像片有畸变，相机参数通过软件把影像去畸变，解压成TIF格式，POS和影像名字对应，做好数据预处理。空三加密，即恢复无人机航摄瞬间影像的空间位置XYZ和姿态OPK。主要采用天宝的数字摄影测量系统Inpho，空三加密完全按照1/500航摄规范进行加密，立体恢复及精度检查，主要是检查控制点满足1/500精度，上下视差、模型接边差满足要求，才能进行后续工作。

通过空三成果匹配出DEM、DSM，立体下编辑，输出DEM和DSM（Las格式点云、DXF格式的特征线、约束线），正射单片纠正，匀色，镶嵌，编辑，分幅输出DOM。

同时空三成果导出外方位元素ORI（PATB格式）利用航天远景的数字摄影测量系统Mapmatrix立体采集,外业调绘，在CASS编辑，输出线画图DLG

通过smart3D或者photoscan全自动处理，少量的人工处理，无需人工干预输出三维模型、三维景观。

综上所述，经过航线规划，无人机航摄，外业像控，内业处理一系列流程，生产出4D产品及真实、精度达到厘米级的三维模型，为设计提供整套完整的初始资料。

3 高原、高海拔、高寒地区无人机在公路测量应把握的主要问题

3.1 加强无人机业务培训

由于无人机型号不一，技术标准不一，必须在进行公路测量前对有关人员进行业务培训。培训时，要请无人机厂家派人实施，重点突出无人机的性能、组成、功能、操作、维护等内容，特别是高原、高海拔、高寒地区的使用特点和注意事项，使无人机操作人员和地面操作、保障人员能够熟练掌握无人机的操作、使用和保养、维护技能。

3.2 加强无人机运行管理

一是要优选型号。保证无人机能在高原、高海拔、高寒地区正常工作。二是要持证上岗。无人机操作认证工作，必须由厂家和使用单位共同实施，从高原、高海拔、高寒地区特点，到无人机飞行轨迹、安全控制、缺陷成像质量等方面进行认证，确保现场工作人员持证上岗。三是要严格制度。要建立和健全无人机运行管理规章制度，将无人机管理、运行、维护等各个环节纳入到制度体系之中，实现运行管理制度化、规范化、科学化，确保无人机性能良好、飞行安全。

3.3 编制无人机测量方案

一是要搞好实地勘察。高原、高海拔、高寒地区地形复杂、气候多变，进行现场勘察至关重要，以确定是否存在禁飞区、电磁环境对飞行的影响、通道环境对无人机的影响等。二是拟制测量方案。具体明确组织结构、飞行线路、时间安排、人员分工、飞行保障、有关要求等，还要对意外事故处理等设置预案，并上报审批，确保无人机公路测量工作能够顺利展开。