无人机航测技术在公路各设计阶段中的应用研究★

2019-04-11相诗尧姚守峰陈婷婷

山西建筑 2019年5期

相诗尧姚守峰陈婷婷张涛

(1.山东省交通规划设计院，山东济南 250031； 2.山东省交通科学研究院，山东济南 250031)

0 引言

随着无人机飞控技术、GPS定位技术的发展以及制造工艺的改进，使得无人机的飞行性能、操控方式、续航时间等得到了极大的提高，同时制造成本也逐渐减低，进而使无人机应用更加广泛[1]。公路设计离不开现场数据的支持，设计方案应适应现场环境，这样才能保证方案的合理性和有效性[2]。通过在无人机上挂载各类数据获取设备，能够获得多种类型的航测数据[3,4]，可为公路设计提供数据支撑，并进一步达到提高设计质量和设计效率的目的。本文将全面阐述无人机航测技术在公路各设计阶段中的应用。

1 无人机航测数据种类及获取方法

1.1 航拍视频数据

通过无人机拍摄的视频数据，可以清晰、直观地展现公路设计范围内的地形地势条件、人文环境要素、农田土地类型、建筑种类信息等等，实现对现场环境的快速辨识。

对于视频数据的获取，需要通过多旋翼无人机搭载云台相机完成，分为手控航拍和自主航拍两种方式。对于重要的规划设计区域，例如互通枢纽立交、大跨径桥梁等区域可以采用多视角、不同高度的手控航拍方式，对于整条设计公路而言，可将设计路线转化为无人机的飞行航线，通过地面站控制，实现自主飞行，完成航拍。

1.2 正射影像数据

正射影像数据是由无人机搭载相机在空中垂直拍摄多幅高重叠度的航片，通过空三加密、DSM构建、镶嵌匀光等技术方法生成的真正射影像数据[5]。通过正射影像可以实现对地面植被、水系、公路、建筑物等的判别和辨识，具有数据精度高、影像清晰的优势。

对于公路设计领域正射影像的获取，多采用固定翼无人机挂载高清相机完成外业数据采集。为保证获取航片的位置精度，需要沿设计路线布设大量的像控点，并在无人机上安装RTK或者PPK系统，实现将正射影像投射到真实的大地坐标中，以此为依托展开公路设计。整个飞行过程由地面站控制，拍摄的航片采用Pix4Dmapper，PhotoScan等软件进行处理。

1.3 机载激光点云数据

机载激光点云数据是在多旋翼无人机上挂载激光雷达以及定位定姿系统获取的记录地物空间三维坐标信息的三维点数据。通过数据处理可以实现点云分类，并实现地表特征提取，利用多次回波技术，可获得剔除植被、人工建筑之后的地面点，进而可以构建更加准确的数字高程模型(DEM)，为方案设计、挖填方计算等提供准确的数据支持。该技术手段具有数据精度高、受天气影响小、自动化程度高的特点。

1.4 三维实景模型数据

三维实景模型是采用无人机倾斜摄影技术获取的描述地物表面和侧面纹理信息的三维立体模型数据[6]。通过该模型可以准确获取地物的长度、高度、面积和体积信息，并准确获知地物类型、特征属性等信息，具有真实、精度高、纹理清晰的特点。

该模型数据的获取是通过多旋翼无人机挂载五镜头倾斜摄影相机对地物进行多角度航测，获取记录地物表面和侧面纹理信息的航片，再经过空三加密、影像密集匹配、纹理映射等处理方法，最终生成具有真实纹理的三维实景模型，数据处理软件多采用ContextCapture、街景工厂等等。

2 无人机航测数据在各设计阶段的典型应用

2.1 无人机航测在工程可行性研究阶段的应用

在工程可行性研究阶段，了解现场环境对于路线规划设计至关重要，需要进行外业调查并获知现场状况，以验证设计路线的合理性。在外业调查中，可采用多旋翼无人机辅助调查工作的展开，对于重要区域以及难以到达的地形复杂地区，可通过手控航拍方式记录现场环境。同时，也可以将设计路线转化为无人机的飞行航线，通过地面站设置飞行参数，实现超视距飞行，获取设计公路沿线的视频数据。对于工程可行性研究阶段而言，通过无人机拍摄的视频资料具有获取速度快、成本低、现势性强的优势，并可减少外业调查人员数量，达到节省人力的目的。由于是在空中俯拍整个工程现场，能够清晰地展示现场环境，并实现对现场的记录，便于方案的优化设计。图1为通过多旋翼无人机拍摄的某高速公路改扩建设计项目工程可行性研究阶段的视频资料，可以清晰地看出待扩建公路两侧的厂房、建筑物等情况，能为方案设计提供直观的数据资料。图2为某高速公路新建路段设计项目工程可行性研究阶段的航拍视频资料，该视频是由无人机自主飞行拍摄的视频数据，通过该视频可进行公路建设的拆迁量统计以及公路设计路线的合理性验证。

2.2 无人机航测在初步设计和施工图设计中的应用

在初步设计和施工图设计阶段，多采用1∶ 2 000地形图数据以及人工定测方式。利用无人机航测技术获取的正射影像数据能够显示真实的地物信息，比如房屋种类、植被类型、水系环境等情况，可辅助公路平面线形设计以及重要结构设计。图3为正射影像和地形图的叠加显示效果，以此可更加清晰直观地获知地物信息。利用高精度、高密度的机载激光点云数据构建精确的数字高程模型，可进一步辅助完成道路纵断面、横断面设计以及道路平面线形优化。图4为某高速公路新建段设计项目中，通过机载激光点云构建的数字高程模型与正射影像的叠加显示效果图，可为公路设计提供真实的三维地形地貌。

通过无人机倾斜摄影技术获取的三维实景模型实现了对现场环境真实还原，并提供地物高精度的空间位置信息以及逼真的表面和侧面纹理。对高填深挖路段、重要桥梁设计路段、隧道出入口等重点区域进行无人机倾斜摄影三维实景建模，可查看设计方案与周边环境的匹配、融合程度，实现精准设计。同时，利用三维实景模型能够快速完成体积计算，实现辅助土石方计量。图5为高速公路改扩建项目高边坡区域的三维实景模型。

2.3 无人机航测在BIM设计中的应用

目前，BIM技术已经逐渐在公路设计中展开应用，利用无人机航测技术能够为BIM设计提供完备的基础数据支持[7]。利用获取的正射影像数据和激光点云数据，构建精准的三维地形地貌，以此为基础，可以开展方案设计和方案比选等工作。对于市区道路设计、重要桥梁、隧道设计可采用无人机倾斜摄影技术获取三维实景模型完成BIM三维设计。图6为融合了正射影像数据、机载激光点云数据、倾斜摄影三维实景模型数据的BIM三维设计成果。