无人机航测在高速公路横断面测量中的应用

连浩东

（中绘云图信息科技有限公司，福建福州361000）

0 引言

无人机具有飞行速度快、机动灵活的优势。随着技术的提升，无人机可以携带比较大的载荷，完成复杂的航测工作。在高速公路横断面测量中，由于自然环境、测量成本、技术条件的限制，使用全站仪等设备进行测量已经不能满足当前对效率和精度的要求，所以需要使用无人机航测，提升高速公路横断面测量的整体效率和质量。

1 无人机平台概述

低空摄影平台能满足快速获取高精度稳定数据的需要。平台的稳定性影响效果，并影响后续的数据处理。无人机平台的灵活性和敏感性更强，尤其在低空，能在相对复杂的环境中进行测量工作。目前常见的低空无人机平台包括固定翼无人机、多旋翼无人机、复合式无人机等等。

1.1 固定翼无人机

固定翼无人机和传统的飞机构型相似，是最早出现和研发的，最简单的无人机平台，在民用无人机领域应用广泛。固定翼无人机可以使用弹射架发射、手抛起飞、滑跑起飞等起飞方式，巡航时间在45min～3h。有些固定翼无人机自带拍摄装置，也可以根据需要进行改造，改装成专用的测量装置，满足测量工作的需求。

1.2 多旋翼无人机

多旋翼无人机使用多个旋翼为无人机提供动力和调整无人机的姿态，调整方式主要为调整旋翼的转速，以及根据需要调整旋翼角度。多旋翼无人机由于有多个旋翼提供升力，所以桨叶可以设计得更小。和传统的单旋翼无人机相比，取消尾桨让多旋翼无人机的结构更加简单，而且使用对称式布局使节能性更高，所以多旋翼无人机的应用更加广泛。多旋翼无人机被大量使用的关键因素在于，近年来算法技术的快速发展，可以使用多种算法满足多旋翼无人机的姿态控制需求，自主控制也得到了充分优化。目前多旋翼无人机可以灵活地完成反转、避障、目标识别和着陆。在飞行中，可以根据周围气流状况调整姿态，所以控制的稳定性很强。另一方面，多旋翼无人机还具有非常强的定制性，可以进行定制，以满足各种环境下的航拍需求。

1.3 复合式无人机

复合式无人机融合了上述两种无人机的结构，使其具备更强的巡航功能，也能满足起降、悬停等需要，具有灵活性和航程远的优势。目前复合式无人机普遍采用固定翼无人机和四旋翼无人机复合的布局方式，能控制无人机的垂直起降，并且兼顾速度快、航程长、距离远的优势。

2 高速公路横断面测量对无人机航测的需求分析

高速公路横断面测量工作可以使用全站仪、GNSS等数字化测图技术。但是如果测量区域的面积比较大，地形比较复杂，全站仪等技术存在灵活性不足，测量效率低的问题[1]。在测量地形时，测量人员需要对整个测区展开测量，如果地形复杂，很容易遗漏重要的碎部点。全站仪还会受到通视条件的影响，需要频繁更换测站，导致测量精度不能满足应用要求。另外，使用传统测量技术将会消耗大量的人工成本，也需要投入大量的物力，增加管理的压力，测量的整体性和时效性也很难满足要求。所以，需要一种高机动性、低成本、高时效性的测量技术，满足高速公路横断面测量的需求，无人机就可以较好地满足上述需要。无人机最初在救灾抢险中发挥了巨大的作用，之后在民用市场中也发挥了巨大的作用。技术水平的提升使无人机的制造成本开始下降，消费级的无人机市场随之开启。在高速公路横断面测量中，最初只是利用无人机作为飞行平台，搭载相机手动进行重叠影像拍摄，所获得的图像数据，并没有定位系统的支持，航拍系统也没有足够的整合性，所以拍摄的空间位置精度不够。随着技术的进步，无人机引入了RTK 定位系统，相机技术也能满足微秒级同步的需要。为了优化使用需求，无人机专门设计了应用可以满足航线规划工作的要求，可以实现厘米级别的导航定位，定位系统也能和成像系统结合，从而提升了航测的效率和精度，并降低了作业难度，有效控制了作业成本。目前无人机已经可以使用在大比例尺的地形图测量、不动产测量、房地一体化测量、地质灾害监测中。

3 无人机航测系统的基本构成

3.1 飞行平台

飞行平台是无人机航测系统的主体部分，平台包括机体、动力装置、控制系统、导航装置、电池等等。目前，可以根据需要选择无人机类型，灵活满足测量工作的需要。飞行数据终端安装在飞行器上，属于无人机的组成部分，也属于数据链路的机载部分。

3.2 地面控制站

在无人机测量过程中，通过地面控制站控制无人机，可以传递无人机的遥控数据和无人机向下传输的图像，并且能显示遥测数据。地面控制系统能进行任务规划和分配，也能接收无人机发出的实时信号，具备信息处理、图像处理的功能[2]。

3.3 任务载荷

任务载荷是无人机完成任务的模块，无人机平台的作用在于携带任务载荷，与任务载荷配合完成测量工作。任务载荷通常包括雷达、专业照相机、摄像机等等，目前一些机载激光定位设备也应用在了无人机系统中，还可以装载可进行气象化学探测的传感器。

3.4 数据链路

无人机需要和控制站保持通信，向控制站实时发送无人机的位置数据、飞行状态、测量数据，控制站要向无人机发出控制数据。数据链路的硬件包括地面数据终端和空中数据终端两大部分，地面数据控制终端由天线构成，能够发出发射飞行器和接收飞行器的信号，也能以卫星作为中继。

3.5 发射和回收装置

很多无人机都是通过弹射起飞，采用车载发射、滑跑起飞、垂直起飞等方式，可以根据当地状况选择发射方式。在回收时，可以采取网式回收、伞降回收、滑跑着陆等方式。在航测工作开始之前，应该根据无人机的收放方式，准备相应的发射和回收设备，保证测量工作能顺利进行。

4 旋翼无人机航测的工作流程

使用旋翼无人机进行航测的工作，可以发挥无人机操作方便、成本低廉的优势，并且在小范围的高速公路横断面测量中非常灵活。在常用的RTK 模式下，进行测区的正射影像测量时，工作流程包括航测准备、航线规划、相机参数设置、航拍作业和影像处理。

4.1 航测准备

航测准备工作是在到达测区开展航测之前的前期准备工作，需要准备飞行器、测区KML 文件，并布置像控点。在飞行器准备过程中，需要配备足够数量的电池，满足测量工作的能源需求。正常每块电池可以维持正常飞行18～24min，充电50min，测区的状况、面积、形状、飞行器的飞行高度、测量过程中的重叠率、测量中的环境温度也会影响耗电速度。对于测区要提前进行准备，可以使用相关地图软件做测区的地标KML 文件，导入遥控器中。需要在测量工作开始之前确定像控点，提高航测成图的精度，通过合理布置像控点，满足对坐标控制的需求。

4.2 航线规划

合理的航线规划能提升测量工作的效率。在该项工作中，需要连接周围移动网络、设置合适的飞行行为、确定RTK 定位模式。针对测量模式，要设计合适的飞行高度和速度，并且根据当地的情况设置影像重叠的情况。在航线规划的工作中，首先需要保证飞行器遥控器和网络保持连接，可以在遥控器上安装SIM 卡，连接4G/5G 网络。之后，使用RTK 账号登录服务器，保证无人机获得RTK 固定解。如果测区只进行正射数据影像采集，就可以使用2D 的航线规划方式，节省航拍时间；如果进行3D 影像采集，需要针对当地的地形特殊规划航线。航线必须保持安全飞行高度，比如要避免与测区内的最高地物碰撞，避让电线等等，所以要保证飞行高度高于当地最高地物。

4.3 相机参数设置

相机参数设置包括设置照片比例、白平衡、云台角度、光圈、ISO、快门、补光等等，合理的相机参数能获得更为清晰的航拍图片，可以按照默认设定设置，但是也要考虑当地的天气状况、光照、环境颜色，以及根据无人机的飞行高度进行调整。在拍摄正射影像时，可以选择-90o的云台角度，而为了提升建图的精度效果，可以关闭相机的修正畸变功能。

4.4 航拍作业

航拍作业是航拍工作的实施阶段，目前多数无人机都能自动完成航拍工作。但是在航拍过程中仍需要有人员监视整个航拍过程，如果发现航拍中出现错误，就需要及时进行修正。

4.5 影像处理

在完成航测任务后，获得的影像并不能直接使用，而是需要将数据导入电脑中继续处理。照片中包含了相机的参数信息，可以在记事本中获得参数，了解拍摄当时相机的状态；POS 信息是每张相片拍摄时所对应的空间位置信息，需要保证POS 信息格式规范，和照片的名称一致；在影像上标记控制点之后，可以进行初次空三解算，获得控制点的位置；然后利用多个包含控制点的照片进行控制点的精确标记；在所有控制点标记完成后，再进行空三解算，修正过去的数值；最后进行影像的拼接工作，建立坐标系，生成测区的正射影像。

5 结语

无人机航测相比传统的工作方式具有比较大的优势。在实际应用中，应该做好航线的规划工作，合理设置摄像系统的参数。在航测工作开始之前必须做好准备，充分发挥无人机航测在高速公路横断面测量中的作用。