无人机航测技术在山区道路勘测中的应用

陈江，袁士才，周佳，傅向全，郭乙辉

（长江师范学院土木建筑工程学院）

1 引言

我国西南片区多以山地、丘陵为主，交通是区域经济发展的一大制约因素，区域交通的规划设计往往离不开前期的勘察工作。目前，道路前期勘察工作中，带状地形图测量方法主要有全站仪测量、GNSS‐RTK 测量以及传统航空摄影测量法[1]。无人机低空航摄系统以无人机为飞行平台，辅以专用航线规划软件控制自主飞行来获取高分辨率遥感影像的遥感技术，其具备起飞条件机动灵活、定位精确、地理信息采集方便、影像遥感信息处理及时高效等优点[2‐3]。根据相关研究资料证实，经过地面像控点的加密，测量成果可以达到1:2000 比例尺、甚至1:1000比例尺地形图的精度要求，为无人机航测技术在公路带状地形图测绘中的应用提供生产实践经验[4‐5]。一般来说，常见的低空无人机飞行平台主要有固定翼无人机、多旋翼平台、复合式布局无人机等种类[6]。固定翼及复合翼无人机相关研究成果较多，且在大型工程勘测项目应用中取得了很好的效果，但是这两种无人机系统较为昂贵，一般性企事业单位以中小型项目为主，设备购置及维护的经济压力较大，因此，以价格比较亲民的消费型多旋翼无人机开展应用研究很有必要。

2 航测实验

为充分研究消费型无人机在中小项目中的应用优势，分析相控点的布设方法，验证不同像控下的具体精度，以某道路工程项目为例，采用大疆精灵4Pro无人机开展航测实验。实验测区位于重庆市涪陵区内，呈带状分布，长约1500m，宽约200m，地势北高南低，高差约80m。路基形式主要为全填或全挖，边坡较陡。

2.1 实验过程

实验过程主要分为四个步骤。

①前期规划，根据卫星影像数据及该测区相关材料，初步规划像控点的布设、检核点的采集以及航测参数选取等工作；

②外业测量，先进行像控点、检核点的实地布点，之后开展点位数据采集及实地航飞，并检查坐标数据及像片完整性；

③内业数据处理，根据航测成果利用专用软件进行分析处理；

④成果分析，采用多种像控方案进行内业处理，对比其不同方案下的精度变化规律，从而推导最优方案。

2.2 具体实施

为尽可能提高实验测量数据精度，并保证一架次飞行覆盖更多区域，确定以中间点作为起点，该点接近区域平均高程。经公式计算，航高为105m时，地面分辨率为2.9cm 能满足实验要求，依此进行航线规划，设定航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，同理，计算山顶点（区域最高点）及山底点（区域最低点）飞行参数，可见数据满足规范规定。

像控点的布设数量和位置，对实景模型精度、外业测绘工作量、模型构建成本等会产生很大影响[7]。为保证实验区域模型精度，设计布设5 个像控点，并在道路断面上每隔一定间距布设检核点，点位布设如图1所示。

图1 测区概况及像控点布设示意图

像控布设完成后，进行无人机航飞，飞控采用DJI GS Pro航飞软件，根据计算的航测参数，进行航线规划设计，使其根据设置航线自主飞行，飞行结束后，现场检核是否存在像片不清晰、漏片等情况。

2.3 内业处理

本次实验像片处理采用Pix4D 软件。首先将像片导入软件中，之后将像控点坐标数据导入软件中进行刺点，最后进行处理选项设置。将初始化处理、点云及纹理以及DSM、正射影像和指数这三个步骤中的选项，根据项目需求进行设置后，开始运行处理即可。为验证像控点与精度关系，本次处理采用3种方案。方案1：选用5 个像控点，即全部参与处理，像控点间距约400m；方案2：选用3 个像控点，即首、尾、中间点参与处理，像控点间距约750m；方案3：选用2个像控点，即首、尾点参与处理，像控点间距约1500m。3 种方案的处理过程未出现缺少数据、像片不足等运行问题，最终得到相应成果。

3 成果分析

3.1 平面位置对比分析

将成果中的正射影像、实测的检核点数据分别导入南方CASS10.1 软件中，检查点位的对应程度，实际效果中发现三种方案均存在一定的误差。为使其更有针对性，以道路斑马线、井盖等设置点位进行平面误差分析，其中红色方格为实测数据，蓝色方格为影像位置，可见像控点越稀疏，平面误差越大，情况如图2所示。

图2 数据对比分析示意图

3.2 点位误差对比分析

根据实地测量值和软件量测值的分布情况，计算出三维模型三个方向的中误差及平面中误差，计算结果如表1所示。

表1 点位误差分析表

3.3 像控点位置与检测点位精度分析

通过误差分析表可见，在山区道路勘测中，像控点的布设至关重要。由于山区道路本身的起伏极大，如果像控点间距超过1km，引起的平面误差、高程误差可达到米级。像控点间距在400m 左右时，点位误差能控制在0.1m 以内，而且像控间距越大，点位误差越大，且变化不为简单的倍数关系，同时，像控点发挥着误差拟合作用，离像控点越远的检核点误差越大，另外，由于原始地形存在高差，因此体现出航测相对高度对分辨率及检核点误差也有一定的影响。

根据《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z 3003‐2010）要求，不同比例尺地形图中内业加密点位精度要求，可见，方案1满足1:500成图要求，方案2基本满足1:1000成图要求。

4 结语

重庆、四川地区地形条件复杂，多为山地、丘陵地形，传统道路勘测手段十分艰苦。本文以中小型道路工程项目为基础，以较为常见的消费型无人机展开航测实验，通过三种不同的像控点设计，分别得到了不同的航测成果，并对像控点布设对点位精度的影响进行了详细分析，并证实了无人机航测技术在道路勘测绘图中的应用前景。但本实验还存在不足之处，如检核点断面可进一步加密、像控点可双排或星形布设以及项目区域茂密植被覆盖较少等，今后将继续开展研究，持续扩大无人机航测技术优势，应用于更多类型的工程项目，降低生产成本，提高作业效率，实现科技创新的巨大应用价值。