无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的重要性及应用要点

王仕林

（山东省地质测绘院，济南 250002）

在道路工程测量工作中，如果使用传统的人工测绘方式，不仅不能保证最终成果形式的丰富性，还难以满足道路工程测量的数字化发展需求。与传统的人工测绘方式相比，无人机倾斜摄影测量技术，则是一种基于数字化技术的测量技术。将其应用到道路选、定线及带状图测绘和道路横纵断面测量中，具有十分重要的作用，但是，如何对这一测量技术进行合理的应用，提高道路工程测量的质量与效率，还需要进行更为深入的研究。

1 无人机倾斜摄影测量技术的相关概述

1.1 无人机

在实际测量工作中，测量人员可以将无人机视为一种摄影平台，在无人机的底部安装不同角度的高分辨率摄像头，并对无人机的多项飞行参数进行设置，就可以让摄像头在一定高度范围内，利用某一角度完成测量任务。大多数情况下，无人机的多角度摄像头拍摄影像的重叠度集中在60%～65%。这样的重叠度限制了无人机影像的拍摄范围，扩大了数据量占据空间，所以更加适合应用于带状道路工程中的测量工作。

1.2 倾斜摄影

倾斜摄影是一种对地物点具体位置进行确定的摄影技术。先利用多个不同角度对同一点进行拍摄，形成三点定位效果。然后再结合拍摄当时无人机的相关参数，例如飞行高度、飞行姿态等，对这一点进行立体成像，生成三维立体图。另外，倾斜摄影还可以形成DEM数据，对地面高程变化进行判定。与传统的二维转化三维技术相比，倾斜摄影技术的精度更高、视觉效果更高，在反映地物真实性等方面更具优势，可以为测绘技术人员开展测量工作提供极大的便利。

1.3 无人机倾斜摄影测量技术

无人机与倾斜摄影测量之间存在着极为紧密的联系，将无人机测量平台与倾斜摄影技术结合在一起，就是无人机倾斜摄影测量技术。图1 为这一技术的主要组成结构。最初的无人机倾斜摄影测量技术，经营用于建筑物外侧面纹理信息的提取。随着技术的发展，才开始应用于道路工程测量、矿山测量等领域中。无人机倾斜摄影测量技术的应用与普及，推动了整个测绘领域的简便化、精准化及自动化发展。

图1 无人机倾斜摄影测量技术的组成

2 无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用重要性与优势

2.1 无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用重要性

传统的道路工程测量，以“常规仪器+人工测量”为主，由于点多线长，测量人员需要金鼎相关等级与数量的测量控制点的布设，测量效率非常低。而无人机倾斜摄影测量技术的应用，则可以获得“人在空中数据尽收”的效果，并使得测量效率得到了最大限度的提高。而且，这一测量技术还代替了测量人员的地面测量作业，测量过程不再受到现场不利环境条件的影响，测量质量更有保证。另外，在道路工程测量的外业作业当中，对无人机作业、调绘辅助测量、GNSS-RTK 辅助空中三角测量导航与定位技术进行了充分的应用，不仅减少了地面控制点的布设数量，还缩短了外业作业时间。与此同时，还借助现代化科学技术的优势，提高了测量数据的可靠性与精确度，实现了道路工程建设效益的提高。

2.2 无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用优势

2.2.1 便捷性

无人机倾斜摄影测量技术的应用原理是卫星遥感摄影原理。但是，与遥感摄影技术相比，这一测量技术不容易受到大气传播过程中能量散射和几何变形的影响，摄影周期更短，图像分辨率更高。与GPS-RTK 技术相比，这一测量技术在获取基础数据方面，并不需要进行基站的设定，测量人员也无需逐点测量，测量周期更短[1]。与传统的导线法、三角法或三边三角网法相比，这一测量技术不需要做多级支站，且测量精度更有保证。

2.2.2 数据获取周期短

经过长期的发展与升级，目前已经可以将高精度、多角度相机安装到无人机底座下，并在极短的时间内完成测量任务，获得测量数据，然后再以相同比例尺进行较大图幅内容的获取。如果使用传统的卫星遥感测量技术，最快也需要7～15 d 的时间才能够获得图像；如果使用GPS-RTK 技术，则需要3～5 d 的实践才能够获得图像。而无人机倾斜摄影测量技术只需要将飞行路线和飞行次数设定好，就可以在30 min 内完成整个道路施工范围内的图像资料。

2.2.3 数据精确度高

道路工程中，往往需要使用到的地形图比例为1∶500、1∶1 000 或1∶2 000。无人机主要是在1 000 m 高度以下的空中飞行，携带的高分辨率传感器精度在厘米级别，可以直接利用彩色影像将地面区域内的细节展示出来。再利用后期技术将图像数据成果处理成DEM 图和DOM 图，形成三维场景，让施工人员更加直观、更加全面的体会道路施工现场的实际情况。图2 为这一测量技术的影像采集示意图。

图2 无人机倾斜摄影测量技术影像采集示意图

2.2.4 数据获取成本低

与其他测量方式相比，无人机倾斜摄影测量技术的数据获取成本更低。首先，只需要安排3 名测量人员，就可以使用无人机对整个道路工程施工区域进行测量，并获取相关数据。而且，这种技术的应用既不需要建设挤占，也不需要使用多个全站仪测量设备，这方面的成本也可以节省下来。其次，在地势相对平坦的区域，遮挡物少，无人机可以在最短的时间内完成测量。在地势起伏较大的区域，遮挡物多，无人机也可以利用多个摄像头，对地物进行多角度的拍摄，进而将盲区控制在最小范围内。这样一来，无人机通过重测方式补充获取数据的几率就更低。

3 无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用要点

3.1 无人机倾斜摄影测量技术在道路选、定线和带状图测绘中的应用要点

无论是道路新建工程，还是旧路重建工程，都需要进行道路选、定线，并利用带状图对现场的水文、地质条件进行判断。将无人机倾斜摄影测量技术应用到这一过程中，可以明显降低道路工程建设成本，优化道路修建方向。

3.1.1 在山岭区测绘中的应用

如果道路工程的施工建设需要穿过山岭区，则需要对以下要素予以重点考虑：上岭线和下岭线，路线填挖量，路线偏离度，放坡，路面阴阳位置和排水管道设计等。首先，无人机倾斜摄影测量技术可以将山岭区的地面全貌直观地展示在设计人员面前，使其可以根据现场的实际情况，进行多条建设路线的设计。其次，利用路线填挖量、路线偏低度等要素，对这些道路建设线路设计的科学合理性进行分析，并从中选择一条可行性最高的线路设计方案。再次，在实际的放坡与填挖土方量的时候，测量人员需要参照遥感影像，完成道路选、定线。最后，以道路为中心形成带状定点路线，形成一级控制点，然后再利用PTK 开展实地测量，获取更多的数据，为道路工程的施工建设提供支持。

3.1.2 在平原区测绘中的应用

平原区没有山体、植被等大面积遮挡物，所以道路工程建设的选、定线难度较低。但是，在平原区进行道路工程的施工建设，需要对以下要素进行重点考虑：道路工程的建设成本，道路的转弯曲线，高压塔，附近村庄，已有道路和其他地物等[2]。首先，无人机倾斜摄影技术可以在100 m 左右的高空内进行道路工程施工的观测，进而让施工单位明确在施工过程中应当重点绕开哪些城镇和村庄。其次，利用内部数据处理系统，以一种动态化的方式将选、定线展示出来。在后期选、定点的时候，就可以参考这些影像图进行优化与调整，提高实地测量准确性，降低道路工程建设成本。

3.1.3 在丘陵区测绘中的应用

与山岭区、平原区的道路工程选、定线相比，丘陵区的选定任务更加繁重。因为丘陵区的地势起伏较大，水文条件不够明确，且存在着很多转弯现象。如果使用传统的测量方法，需要在整个施工现场进行实地测量，不仅需要投入大量的人力和物力，效率还比较低。而这一测量技术的应用则表现出了明显的优势。首先，这一测量技术可以沿着丘陵区道路观测相应的地势地貌特点，并获得相对完整、立体的图像。其次，根据这些图像对道路工程施工现场的实际情况进行实地分析，可以明显减少外业勘探次数，减轻工作人员工作压力。最后，对道路建设进行分段，每一段区域的道路建设都可以结合图像确定出最佳的施工路线，并为后期施工打好基础。

3.2 无人机倾斜摄影测量技术在道路横纵断面测量中的应用

无人机倾斜摄影测量技术在得到空三处理后就可以生成DEM 图像和DOM 图像。在道路横纵断面测量过程中，测量人员可以直接借助DEM 图像的辅助作用，对高程差进行判断，进而给出切实可行的施工方案。

3.2.1 通过带状图上的内插进行测区高程差的确定

无人机倾斜摄影测量技术可以生成SEM 图像，并对道路施工各部分的高程差进行判定，为坡道、曲线及转弯等施工问题的处理与解决提供帮助。首先，对外业获取到的图像和数据进行内业处理，然后对外业测量所获的特征点进行分析，并在此基础上完成影像配准[3]。其次，对道路工程的施工需求进行分析，然后对DEM图像进行内插运算，从而将道路路线的高程变化进行具体而全面的反映。最后，利用内业软件将具有横断面特点的部分筛选出来，并对相应的倾斜角度进行确定，提前准备基础材料，为横断面的有效处理提供保障。在筛选完测区横断面之后，测量人员只需要在重点区域布测，对周围环境进行观察，就可以从数据层面支持横断面的施工设计工作，并保证横断面的效率与精度。

3.2.2 以影像成果为基础进行填挖土方量的计算

应用无人机倾斜摄影测量技术获取影像，需要提前设置多项参数。对这些影像加以利用，可以将图像比例尺推算出来。在实际的道路工程测量工作中，测区内的面积和体积就是这样确定的。如果在山区内进行道路工程的施工，可以直接在影像图上计算出施工人员需要填挖的土方量。首先，对道路工程施工过程中，需要进行土壤填挖施工的位置进行确定，然后在对周围的土壤与岩石走向进行观察，就可以将实际需要填挖的土方量确定出来。其次，在填充方面，可以将附近的碎石块、优质土壤作为主要填充图。在这一过程中，需要利用影像图将挖走的土壤和需要填充的土方比例进行合理的设计。在挖掘土方量的时候，需要提前实施地质勘察工作，对岩体、水体等因素的影响程度予以充分考虑，尽量避免土方量的挖掘对周围环境产生较大影响。

3.2.3 利用影像进行横纵断面处理影响程度的观察

道路工程施工中横纵断面的处理行为，对于周围地形地势条件的影响较大。只有利用无人机倾斜摄影测量技术对周围岩体、水体及其他地物的沉降情况或变化情况进行实时的监测，才能够正确做出是否持续进行横纵断面处理的决定。尤其在山岭区和丘陵区，一些震动、开挖及填充等施工行为，很容易对山体内部的平衡产生破坏。如果没有做好相应的监测工作，将会对整个道路工程的施工安全与施工质量产生不利影响。

4 无人机倾斜摄影测量技术在道路工程测量中的应用强化策略

4.1 对测量装置与设备进行科学选择

在道路工程测量中，要想对无人机倾斜摄影技术进行强化应用，需要对相应的测量装置与设备进行科学的选择，提前做好相应的准备工作。首先，对多种装置和设备进行对比分析，确保选择出性能最优、功能最符合测量作业需求的装置和设备。其次，近几年来，测绘市场上涌现出了很多新型测量产品和装置。虽然促进了无人机倾斜摄影测量工作的多样化发展，但是某些产品性能方面的不足，却也对这些测量技术的普及推广产生了影响。测量人员需要结合具体的测量工作需求，在准确把握各种装置与设备性能特点的基础上，选择出最适合的无人机类型和高性能摄影装置。再次，在正式开始道路工程测量之前，还需要对使用的装置与设备进行检查，避免在后期测量工作中出现装置与设备运行异常问题。最后，在日常工作中，测量人员需要对测量装置和设备进行定期的检修与维护，及时消除装置和设备存在的性能隐患。

4.2 对无人机倾斜摄影系统进行构建和完善

近几年来，在无人机倾斜摄影测量技术的持续改造与升级过程中，相应的摄影功能也越来也丰富，越来越实用，为测量人员的测量工作开展提供了极大的便利。要想将这一测量技术的应用优势充分发挥出来，还需要对无人机倾斜摄影系统进行构建和完善。传统的航空摄影技术受到技术条件的限制，只能对地物进行垂直拍摄。而这一测量技术，则可以利用专业五镜头相机，从多个不同的角度进行地物影像资料的采集。测绘市场上流通的无人机类型极为丰富。以动力系统为标准，可以将无人机分为2 种：第一种为内燃机动力无人机，第二种为电池动力无人机。在选择无人机的时候，需要对无人机的载重、巡航速度及续航时间等进行重点考虑，明确各种类型无人机的优势与劣势，然后结合实际测量需求选择出最适宜的无人机。另外，在对无人机倾斜摄影系统进行优化的时候，需要对相机的性能予以重点考虑。一般情况下，五镜头、三镜头或双镜头可以满足道路工程测量工作的开展需求。

4.3 对测量人员进行系统的培训

无人机倾斜摄影测量技术是一项非常专业的测量技术，对于测量人员的技术水平和专业素养要求比较高。测量人员只有掌握这一测量技术的操作方法和技术要点，并严格按照相关测量规范进行操作，才能够提高道路工程测量质量。首先，在正式开始道路工程测量之前，需要对测量人员进行业务培训，使其掌握相应的测量技术技能和理论知识。其次，在正式开始道路工程测量之后，还需要做好相应的监督与检查，确保测量人员可以严格按照相关规范要求与技术标准进行测量。

5 结束语

综上所述，无人机倾斜摄影测量技术，是一项非常便捷的测量技术，不仅数据获取周期短、数据精确度高，整个测量成本还非常低，在道路工程测量领域中有着极为广泛的应用前景。但是，要想将这一技术的应用优势充分发挥出来，提高道路工程测量效率与质量，不仅要对测量装置与设备进行科学选择，对无人机倾斜摄影系统进行构建和完善，还需要对测量人员进行系统的培训，确保测量人员可以正确使用这一技术进行针对性的测量。