无人机摄影测量在道路工程中的应用现状

□□ 高润杰 (武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023)

引言

科学技术的发展改进了传统的设计、施工和维护方法，使用现代化设备可以在道路工程的规划、设计、施工、维护和运营等各阶段对其进行监测，进而提高道路工程的使用性能和使用寿命。无人机新型摄影测量技术结合了航空和地面摄影测量技术，并且配备多种智能传感器，可以同时采集多种数据信息。在道路工程的各阶段中应用无人机摄影测量技术可以得到更加准确和丰富的工程数据，使数据结果可视化、数字化，这将极大地提高道路工程领域的各项技术质量和水平[1-2]。

1 无人机摄影测量技术工作步骤

1.1 航线规划

采用无人机进行摄影测量任务需要考虑许多因素。首要需要决定的是无人机飞行是在GPS航点之间的自动控制还是手动控制。在任何一种情况下，都需要在升空前分析测量区域。在任务开始之前，需要识别障碍物，如电线、建筑物、禁飞区域或其他潜在的障碍物等。使用手动模式或自动控制取决于多种因素，但最重要的是明确区分实时事件的监测。这两种飞行模式都可以其中一种方式飞行，或者以手动和自动控制的混合方式飞行。手动控制模式通常在对实时信息检查时更好用；当创建地图时自动控制更好用。

飞行航线规划是无人机摄影测量的重要组成部分。首先根据不同比例尺的成图要求，综合地形条件及等高距等要素，应选择时间节省且经济合理的地面分辨率。其次需要对摄影测量区域进行分区，由于无人机工作时间较短，成像像幅较小，有效测量范围有限。同时道路线位较长，所以需要进行分区。无人机航线规划应确保有足够数量的纵向和横向摄影重叠，这将更好地保证处理软件能够识别每个图像之间的共同点。为了实现一定的图像重叠，需要平衡飞行速度与相机拍照的间隔、飞行高度、横断面间距、所用相机几何形状等之间的关系。更高的图像重叠意味着无人机须采取更多的飞行路径，这将使飞行时间延长[3]。

1.2 控制点布设

地面控制点的布设是无人机摄影测量工作的基础，所以地面控制点的设定位置、测量精度和准确精度会对无人机摄影测量结果的精度和质量造成直接影响。对地面控制点进行布设也是无人机起飞之前的准备工作，在此之前应该对测量区域进行充分的调查以掌握准确的参考依据。目前可根据测量区域现成的地形图资料来布设地面控制点，进一步可借助卫星导航等网络数字地图资源来对地面控制点进行布设。测量地面控制点应采用区域网布设形式，确保所有的控制点都是平高控制点，并且平高点的布设应保持在重叠中线的附近[4]。

1.3 飞行测量及数据获取

无人机飞行操作人员主要是对无人机的飞行状态进行实时监测，确保在紧急或突发情况时可以对无人机进行人为控制；同时由专人负责拍摄航线、无人机飞行情况监测、调整摄像头姿态等。在准备工作完成后，即可根据前期所制定的航线、航高进行无人机飞行。目前无人机的自动化程度均有很大提升，所以在航行测量的过程中不需要过多的人为操控，但是为了保证无人机飞行中的绝对安全，必须时刻监视无人机的工作情况和记录无人机的各项飞行参数[5]。

1.4 数据处理及影像生成

无人机摄影测量得到的飞行数据主要包括：数码相片、相机检校参数、地面控制点坐标、测量点坐标、航线方向及飞行信息等。摄影测量的数据处理步骤为表面重建、4 D产品生成和特征提取，包括数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、数字线划地图(DLG)和数字栅格地图(DRG)的生成。在确定拍摄的数据后，即可根据空中三角测量及自动图像匹配技术实现数字化重建，数字化模型可以真实反映人文特征、自然特征等。为了确认结果的真实性需要进行精度分析，在专业软件下完成精度处理，确认是否达到成图要求[6]。

2 无人机在道路工程中的应用

2.1 勘察设计

路线勘测是道路选线设计的关键步骤。以往的勘测工作由于技术落后，由人工进行外业勘测和内业数据处理，此过程由于各种因素的影响往往会造成较大的误差，进一步对道路选线设计造成不利影响。而无人机摄影测量技术在提高勘测精度、减少工作量等方面具有重要意义。张浩等[7]结合北京某高速公路勘测及选线的具体实例，建立了无人机航测方法及工作流程，根据生成的数字正射影像图、DEM模型建立了三维可视化模型，实现了在复杂地形区域的优化选线决策，提高了道路选线的效率和准确度。郑程辉[8]参考国道353松溪城区段改线工程，利用无人机摄影测量方法绘制了1∶2 000的数字线划图，并且通过精度分析证明其完全满足要求。徐海锋[9]针对位于阳朔县兴坪镇的拟建项目，通过实践说明了无人机摄影测量技术在精度上完全可以达到1∶1 000的测图要求。此外，在国外的道路工程勘测中，无人机摄影测量技术也得到了推广。郑亮等[10]以巴基斯坦PKM项目为例，运用该技术在公路进行地形测绘，结果表明获取的遥感影像进行航测成图，平面及高程精度完全能够满足JTG C10—2007《公路勘测规范》对平原地区1∶2 000的比例尺地形图精度要求。王永杰[11]以厄瓜多尔瓜兰达市公路项目为例，该项目位于山地，考虑地形图精度要求，像控点布置间距为200 m，并针对内业过程中出现的空三运算不通过以及出现卷曲或断裂现象，提出建议：一是进行空三计算步骤前，应先导入相机畸变参数，以便修正照片；二是针对面积较大的三维建模，应将其进行分区后再进行空三计算；三是如果Context Capture处理结果不良，可尝试使用Photoscan进行相应的计算。

相较于传统的路线勘探工作，采用无人机进行地形数据采集具有明显的优势。在山区和林地等地形地质复杂的条件下，采用无人机进行勘测不仅可以保障测量人员的安全，避免在危险环境下工作；同时采用无人机采集的数据是数字化和信息化的结果，其精度和准确率得到显著提升；在路线优选方面，通过无人机采集的数据可以生成数字化可视三维模型，通过路线设计线位与地形模型相结合，能够使复杂地形地质条件下的选线更加精确，显著提高道路选线的效率和准确率，为后续道路设计工作提供数据支撑。

2.2 建设施工

在道路交通工程施工过程中，施工种类多，且道路施工作业面地点不断变化，定点监督不易实施。随着无人机技术的发展，基于无人机信息采集平台构建自动化和智能化的施工现场安全检查系统已逐渐得以实施。牛皓伟[12]采用无人机航测采集立体和平面施工作业面，对道路结构进行了三维重构，同时以图像方位姿态信息对道路施工进行高分辨率的大视野无缝图像拼接处理，进而可以对现场施工实行可视化监督，同时体现道路施工的现场环境状态，对施工设备的工作运行状态以及施工进度进行掌握，科学监督现场施工进度，加强对施工现场的管理工作。黄飞新等[13]在惠清高速公路项目中，通过研究“基于无人机技术的高速公路建设施工信息化管理应用”科研项目，将无人机技术应用于施工现场，实现了公路建设施工现场数据的及时掌握，加强了对“高、陡、滑、深”等复杂施工的现场监督，并通过对现场原貌进行三维还原，从施工状态、质量及安全等多方面对项目施工进行信息化管理，提高了施工质量和施工进度。周英勇[14]针对无人机在工程测量和施工过程中的应用进行了深入研究，同时在项目上选取了2 km的市政道路进行无人机试验，结果表明：此技术现阶段仍不能直接得到原地面的填挖土方数据，需要进一步通过专业软件将三维模型转换成二维模型，并改变成CAD平面图的形式，从而实现对原地面土方数据量的计算。

现代道路施工已经转变了传统的施工模式，结合信息技术的发展，相应的数字化模型在施工过程中得到了广泛的推广和应用。通过无人机对道路施工作业面进行摄影，能够建立高精度图像管理系统，全方位多角度对施工作业现场进行监督。同时，通过数据采集和数字模型重构，可以聚焦于关键施工节点，通过计算机信息处理计算得到更为精确的施工状态信息。在进行复杂结构施工时，采用无人机可以对任何点位、任何状态进行实时监督和数据采集，不仅保证施工质量，同时也减少了施工人员高危环境的操作，确保施工过程的安全有序。

2.3 养护管理

目前道路养护检测主要依靠道路检测车，因此自动化水平、能耗及工作人员劳动工作环境有待进一步提高，将无人机技术与路面养护检测技术相结合，可充分发挥无人机的优势。谷雷[15]针对边坡日常养护巡查工作量大的特点，采用了无人机技术展开养护巡查任务。通过巡查航摄，实时了解截水沟是否存在堵塞等病害，同时进一步确认边坡表面是否存在沉陷、脱落及裂缝等，结果表明：在高速公路边坡养护工作中使用无人机不仅能节省人力、降低工作强度，还能保证巡查工作的全面性和及时性。吕梦[16]通过分析边坡的环境特征、巡查特点，对无人机在边坡养护巡查的应用进行研究，并以汉宁高速边坡为例进行试验，相比人工检查方式，工作效率提高了43.5%，并降低了工作强度和危险性。冯志杨[17]以无人机作为平台对高速公路道路裂缝病害进行检测，建立了一套符合无人机平台的路面裂缝检测系统，在路面裂缝识别方面取得了良好的应用成果，实现在航拍图像中进行道路裂缝的高精度检测识别。

随着基础建设的不断完善，道路系统养护管理逐渐成为发展趋势。道路养护智能化、信息化的提升也是研究的热点，采用无人机对道路进行日常巡查，可提高检查效率和准确率，同时节省时间和成本，而且可以保证危险路段的检修人员生命安全。建立基于无人机数据采集的路面病害监测系统，将病害特征进行信息化管理，可以形成长久运行的道路养护机制，为道路养护提供更加科学和准确的决策安排，对提高道路使用性能，延长其使用寿命具有重大意义。

3 结语

无人机摄影测量技术基于其机动灵活性及低成本的特点，在道路工程上能以更直观、可视化及自动化的方式来优化道路工程的勘测、设计、施工以及养护过程，在提高工程建设效率、节省劳动力、提升工程质量以及确保施工安全等方面具有巨大的应用潜力。目前影响无人机工程应用工作质量的主要因素是无人机的负载能力与飞行时长。在市场中，部分消费级无人机价格适宜且便携性很高，但同时存在负载承担能力较小、飞行作业时间较短的缺点，所以在使用过程中不能最大限度地发挥应有的工作性能。因此，在接下来的道路工程中可尝试引用大型工业化专业无人机，以提高无人机的作业时长和负载性能，充分展现数字化及智能化的工作特点，从而全方面指导道路工程设计、施工及管理。