无人机倾斜摄影技术在山区公路选线中的应用

王全勇

（浙江景文高速公路有限公司，浙江 杭州 310006）

随着建设规模持续扩大，我国公路建设逐渐转入工程条件更为复杂的山区。山区公路工程建设最显著的特点就是既有道路严重缺乏，无法满足施工要求，需要大量建设临时施工便道。施工便道在选址上经常位于悬崖、深谷以及河流之间，容易遭遇山体滑坡和泥石流等地质灾害，而作为公路桥梁工程前期施工准备阶段极其重要的一环，施工便道关系到施工各环节中的机械设备、材料和人员有效、安全的进出，决定着整个项目建设过程中能否顺利进行。

施工便道的修建线路是否安全、合理、经济，是以获取精确的山区实地信息为前提的。在无人的山区环境，地形图中数据信息精确度只能参考，无法精确的为便道选型设计所用。通常情况下，施工单位多采用传统的人工携带全站仪结合实地步行勘测的方式获取地形信息，不但工作量巨大，而且常常因山区恶劣的地形条件导致人员无法到达进行测绘，数据准确度大大受限。

本文以溧阳—宁德高速公路（G4012）浙江景宁—文成段（以下简称“景文高速”）为依托，提出基于无人机的倾斜摄影模式完成三维实景建模的方法，为施工便道的选型提供精准的技术支持[1～2]。

1 工程概况

景文高速中的某大桥主跨位于V形峡谷，桥台两头直接与隧道相接，桥址两侧地形陡峭，谷底分布坡洪积碎块石，夹杂大滚石。桥址建设区所处深山老林沟壑发育，沟壑峡谷深达20～60 m、宽达80～200 m，两侧陡坡一般在30°～70°，为高山沟谷，两侧岸坡深切，施工位置上下高差巨大，既有道路全无。

在如此复杂的地形环境条件下，合理选取桥梁的施工便道对工程进度、安全和经济至关重要。

2 影像采集方案的确定

2.1 无人机倾斜摄影技术原理及特点

2.1.1 原理

近年来，无人机航拍技术不断创新和更迭，倾斜摄影测量相关新技术也得到了较快发展[3]。该技术颠覆了以往常规航拍摄影使用正字法采集角度进行影像拍摄的方式；利用多角度相机，以大范围视角、高分辨率、高清晰的模式，多角度感知镜头下方地貌物体，同时获取多角度镜头。通过设计采集区的飞行航线并进行参数设定，实现无人机的自主航拍数据采集，在飞行航线区设置像控点，最终通过像控点的RTK坐标信息、无人机采集的影像信息和POS信息等进行后期的图形计算及空中三角测量、密集匹配、自动纹理映射一系列处理形成三维模型，真实反映并符合人们生活中真实的视觉场景，场景中附有地理信息框架，可全面的展示丰富的坐标、高程、距离等地理信息[4～5]，大大提高用户的真实体验，同时经济性极高。

2.1.2 特点

1）所采集到的影像能让用户全方位多视角的观测地物，更加真实的浏览地物实际情况，大大弥补了以往无人机航拍照片中单一角度影像所提供信息的不足。

2）通过使用功能丰富的配套软件，可在航拍采集过程中收集地物的坐标、高度、长度、面积、角度、坡度等数据，在后期的成果模型中直接获得。

3）具有可批量化图像数据处理及贴纹理的特点，能快速标准化的完成三维实景建模工作，大大降低建模成本。

2.2 影像采集

2.2.1 设备选型

可选用市场上技术较为稳定的主流品牌。本项目选择的是大疆单镜头多旋翼无人机，加装了GPS接收机、高精度IMU进行高度集成，外形尺寸中等，是目前市场上最智能的民用无人机之一，可根据机型选择大疆配套的飞行控制软件。使用前，对飞机进行飞行前校核与设定，飞行控制软件在航拍时可选取的模式有二维地图合成、虚拟护栏、测绘航拍区域模式、测绘航拍环绕模式、航点飞行指定航线；后期三维处理软件选用的是Pix4D mapper、contextcapture（smart3d）。

2.2.2 航行方案

在飞行控制软件界面里选择测绘航拍区域模式，进入界面后首先进行航行区域范围的选择确定。本工程飞行总长度为2 137.6 m，其对应的参数设定如下：飞行高度120 m，飞行相机倾斜角度45°，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，飞行速度5 m/s。

2.2.3 实地飞行影像采集

实地飞行应选择能见度良好并且五级以下风的常温天气，在桥址附近选取一块适合起飞的平地，在软件界面中设定中心位置，规划出630 m×430 m的矩形范围为飞行区域。在中心区域相应的位置进行像控点的布设，飞行完毕后所采集到的影像资料和POS信息资料会分别记录在无人机上各自内置的存储卡内，在后续的内业数据处理时从存储卡中提取即可。

3 施工便道选线

3.1 三维实景模型建立

无人机倾斜摄影航拍采集到影像数据和POS等数据信息后，使用Pix4D mapper、contextcapture（smart3d）软件进行数据处理。将这些照片和数据导入到建模软件中，通过计算机图形计算，结合POS信息的空三处理，生成点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有真实纹理的三维实景模型。见图1。

图1 三维模型软件构建流程

3.2 选线应用

基于三维实景模型不仅可直观浏览各角度地形地貌情况，还可从中提取各点位之间的坐标、高差、距离以及高程等关键数据。在获取关键地形地貌数据后，使用3Dmax、BIM或CAD等软件在确定的施工图中进行便道规划设计。

3.2.1 布置原则

1）满足功能需求：便道须承担施工所用的钢材、水泥、砂石、汽柴油、土方等材料的进出运输功能；同时还需担负施工所用的大型机械如塔吊、吊车、钻机等机械和作业人员生产、生活的进出运输功能。

2）因地制宜：应根据现场自然地貌条件进行规划，结合地势展开，便道线形尽量选取平而顺和短而直的，在保证有充足视距的条件下便道不宜过长，结合当地环境尽量就地取材完成路基结构并对路面结构进行一定程度抗滑处理，提高便道通行过程中的安全性。

3）安全、环保、经济、便捷：尽量利用既有道路，避免额外增加土地征用并且充分考虑就地取材应用于路基的铺设，节约材料成本，减少对周边生态环境的破坏；如果既有路全无，则需在满足施工要求的前提下尽量做到因地制宜，以达到安全、环保、经济和便捷的要求。

3.2.2 选线布置

山区公路桥梁工程中施工便道选线设计重点工作有两点：一个是平纵线形的选取，另一个是横断面的精细化设计。精细化设计提出所需要的关键参数后，采用CNCCBIM Open R oads软件对无人机倾斜摄影的地形数据进行提取转化，基于三角网构建原理，使用Delaunay软件对区域地形的模型进行编辑，将模型中的各种点云数据、地形数据的文件进行读取收集，提取所需的高程、高差、距离以及坐标等数据信息。

根据建设标准，便道坡度一般情况下≯8%～10%，特殊地段的纵坡≯15%。根据以往经验可知，便道纵坡＞15%时，不利于材料、机械设备的安全运输，同时还会增加机械设备的损耗成本；因此在设计过程中将纵坡控制在15%以内，保证材料、机械设备运输的安全和顺畅，同时还要结合车辆转弯半径的需求进行设计。见图2。

图2 施工便道选线设计文件

基于上述方式进行的便道选线布置设计，所得出的实景模型便道线路设计误差可控制在5 cm以内，不仅为便道施工线路提供了精准的设计，同时也为便道施工的土方工程量提供精确计算的基础。

4 结语

基于无人机倾斜摄影技术结合现有常用的制图软件进行山区公路桥梁工程中的临时施工便道选线设计更加快速准确，建立的三维实景模型更加直观便捷。该技术还可以应用于隧道洞门场地的布置以及桥梁高墩施工安全管理等。

随着无人机倾斜摄影技术的不断发展，与相关行业内软件技术的匹配会越来越便捷，在推动山区公路桥梁工程施工新技术应用方面会有更大发展，为工程建设带来更高效、安全、经济的效益。□■