基于无人机和全景技术的“空-地”联合公路设计外业调查方法

相诗尧，徐 润，张 涛，郭长顺，赵庆涛

（山东省交通规划设计院有限公司 全寿命周期BIM技术应用研发中心，山东 济南 250031）

引言

公路工程具有线长、点多、面广的特点，详细的外业调查环节对于方案确定和优化，以及减少后期变更等具有重要作用[1-2]。对于新建公路而言，路线设计难免要经过山区、河流等地形复杂区域，这些区域交通不便，人员到达困难，同时，由于野外环境复杂，外业调查较难做到准确、详尽[3]。

1 便携式无人机航测系统

便携式无人机航测系统是指小型化的多旋翼无人机航测系统，通常为四旋翼无人机，并具有体型小、重量轻、易操作、便于携带的特点，通过该无人机可以完成视频、照片拍摄的需求，能够在空中获取工程区域大范围的实景照片及视频资料[4]，作为方案设计、方案论证的有力数据支撑，该方法可代替人工进入危险区域，达到作业安全、高效的目的。在机型选择中，将大疆御2 Pro无人机作为首选机型，图1所示为该款无人机重量仅为907 g，并且可以折叠，便于外业携带，相机像素为2 000万，拍摄画面清晰，同时系统具备避障功能，可以减少复杂环境中操作带来的风险。

2 便携式全景影像外业调查系统

便携式全景影像外业调查系统是我公司自主研发的外业调查软硬件系统平台，包括外业调查数据采集系统和外业调查数据三维可视化管理平台。采集系统集成了全景相机、高精度定位模块、工业级测量平板和外业调查APP软件，实现了外业调查属性信息、全景照片、视频、音频和手绘图等外业调查数据的获取，采集系统见图2。三维可视化管理平台，实现了所采集外业调查数据的三维可视化管理，集成了数据存储、查询、统计等功能。

图1 大疆御2 Pro无人机

图2 外业调查数据 采集系统

3 应用实例

3.1 针对不同应用场景的便携式无人机航测方法

通过便携式无人机航测系统能够由空中视角完成对工程现场环境实景数据的采集，针对不同需求和应用场景，设计了不同的数据获取方法，可分为路线整体方案外业调查应用、交通流量调查应用和重要工点现状外业调查应用。

3.1.1 路线整体方案外业调查应用

对于公路工程而言，设计里程往往达到几十公里至几百公里，通过手控无人机方式获取全路线的外业调查资料将耗费大量时间，并易出现无人机拍摄时偏离设计线位的情况；同时，由于公路工程长线型的特点，手控无人机航拍方式容易出现无人机超出视野范围等情况，存在安全隐患。针对该问题，设计了无人机跟随设计线位自主航拍的方法。首先将投影坐标的设计线位转换为WGS84经纬度坐标的*.kml格式的航线文件，然后根据无人机续航能力，将航线按照5～6 km分段，并根据划定的飞行航线选择合适的起飞点，最后设定飞行参数，由地面站控制软件实现无人机自主航拍，从而获取公路全线的视频资料。采用该方法既能保证作业安全，又可提高效率，单人单机每天能够完成40 km视频资料的采集任务，所获取的视频资料可用于线位合理性验证、地表附着物调查、方案汇报、征地拆迁争议处理等方面，见图3获取的视频截图。

3.1.2 交通流量调查应用

准确获取交通流量现状信息，对于方案规划设计具有重要的参考意义。为了更加灵活、准确地获取交通流量信息，可根据需求，将无人机悬停在需要获知交通流量的路口或者道路上方，调整镜头角度，使其垂直拍摄，见图4，进而可以获取实时的交通流量数据。通过该方式，可以灵活地选择拍摄地点以及拍摄时间，由于无人机镜头收录范围广，可全面地记录道路整体交通状况，利于设计方案论证。

图3 无人机航拍视频

图4 无人机交通流量调查

3.1.3 重要工点现状外业调查应用

重要工点区域，地物之间的距离以及相互关系等对于确定设计方案至关重要，便携式无人机航测系统可以用于小区域的正射影像获取。实际操作时，需要在工程区域内布设像控点，以控制最终成果的精度，并通过无人机地面站软件完成航线规划及参数设定，无人机根据设定的参数完成自主航测并获取多张高重叠度的航片，利用无人机航测数据处理软件，经空三加密、DSM构建、影像镶嵌等处理可以获取该区域的正射影像数据[5-6]。图5为获取的某区域的正射影像图，通过该图可以详细地确定出各类地物之间的空间位置关系，便于重要工点的方案设计。

3.2 便携式全景影像外业调查系统道路外业调查方法

在自主研发的便携式全景影像外业调查系统中，可以将道路设计线位、已有的基础地形图、影像图在外业调查数据采集系统的外业调查APP软件中叠加显示，并通过实时差分定位模块获取高精度定位信息，实现了依托数字化的基础资料和高精实时定位的外业调查。在重要的外业调查点处，可利用集成的全景相机获取4K高清全景照片，全景照片在机内完成拼接合成，节约了照片后期拼接处理的时间，通过相机中配置的陀螺定向系统，可以获取全景照片准确的方位信息，见图6。

图5 正射影像

图6 移动端全景影像浏览界面

同时，在外业调查APP中可以自由配置各类外业调查表格，实现外业调查内容的电子化录入，并 设计实现了语音自动识别录入功能以及绘图图库，提高信息录入效率，图7为外业调查信息录入界面。通过外业调查数据采集装置，最终可以获取外业调查点的高精度位置信息，以及在该点处所拍摄的全景影像、视频音频资料、详细的外业调查表单、手绘图资料等数据。最终，由外业调查数据三维可视化管理平台完成数据管理，在平台系统中，外业调查点根据类型划分，以不同的三维空间坐标点符号的形式展现在三维场景中，并挂接了对应的外业调查数据。通过点击图标，即可实现各类数据浏览，图8展示了平台的全景影像浏览功能。系统还具有自动统计计算功能，可对各类外业调查数据进行自动分类和统计，一键导出各类外业调查数据统计报告，提高了数据整理、统计的效率。

图7 外业调查信息录入界面

图8 外业调查数据三维可视化管理平台全景影像浏览界面

4 结语

“空-地”联合公路设计外业调查方法充分运用了无人机航测技术和自主研发的全景影像外业调查系统，可为公路设计提供更加全面、准确、丰富的数字化外业调查数据，进一步提升外业调查质量和效率。