熊 強(qiáng)王俊偉

(綿陽(yáng)市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司 四川 綿陽(yáng) 621000)

無(wú)人機(jī)在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測(cè)量中的應(yīng)用

熊 強(qiáng)1王俊偉2

(綿陽(yáng)市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司 四川 綿陽(yáng) 621000)

隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)西部公路建設(shè)、管理和維護(hù)工作提出了更高的要求。由于西部地區(qū)主要位于高原、高海拔、高寒地區(qū)，特殊的地理環(huán)境無(wú)形中增加了公路測(cè)量的難度，因此，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行公路測(cè)量就顯得尤為重要。本文從高原、高海拔、高寒地區(qū)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量影響入手，探討無(wú)人機(jī)在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測(cè)量中的應(yīng)用，以供參考。

無(wú)人機(jī)；高原地區(qū)；高海拔地區(qū)；高寒地區(qū)；公路測(cè)量

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西部交通路網(wǎng)建設(shè)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，西部高原、高海拔、高寒地區(qū)由于地理環(huán)境特殊、氣候條件惡劣，使公路測(cè)量面臨極大的困難。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和數(shù)字測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，使無(wú)人機(jī)航測(cè)具有全天候、低成本、高精度等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、地形測(cè)繪、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、航空攝影和軍事測(cè)繪等領(lǐng)域。在公路測(cè)量中，無(wú)人機(jī)主要利用自身攜帶的高分辨率相機(jī)對(duì)公路沿線區(qū)域進(jìn)行影像自動(dòng)拍攝和獲取，并具有信息數(shù)據(jù)壓縮和傳輸、影像預(yù)處理、航速規(guī)劃與監(jiān)控等功能。實(shí)踐證明，無(wú)人機(jī)在公路測(cè)量中，具有較高的智能化程度、低空作業(yè)能力、高分辨率數(shù)據(jù)采集能力和飛行可靠性，能夠有效提高高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測(cè)量工作的質(zhì)量和效率。

1 高原、高海拔、高寒地區(qū)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量的影響

1.1 地理環(huán)境的影響

我國(guó)高原、高海拔、高寒地區(qū)主要集中在西部地區(qū)。該地區(qū)地廣人稀、交通不便，使無(wú)人機(jī)測(cè)量作業(yè)受到嚴(yán)重影響，主要表現(xiàn)在：一是該地區(qū)空氣較為稀薄、氣壓較低，對(duì)無(wú)人機(jī)性能提出了較高的要求；二是深入崇山峻嶺之中，對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)和保障提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；三是由于大山遮蔽，使無(wú)人機(jī)通信距離受到嚴(yán)重制約，無(wú)形中增加了測(cè)量難度。

1.2 氣象條件的影響

高原、高海拔、高寒地區(qū)氣象條件較為惡劣，氣候變化差異性大，公路沿線時(shí)?？缭蕉囔F區(qū)、峽谷風(fēng)道區(qū)、地形抬升區(qū)、永久凍土區(qū)等多種特殊地段，“微氣象”變化較大。濃霧、低溫、大風(fēng)、雨雪等氣象條件都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行和測(cè)量造成較大的影響，甚至可能造成墜機(jī)等嚴(yán)重事故。

1.3 低溫的影響

高原、高海拔、高寒地區(qū)氣溫通常較平原地帶、低海拔地域要低，特別是高寒地區(qū)年均氣溫通常在零度以下，不僅對(duì)作業(yè)人員影響較大，還對(duì)無(wú)人機(jī)性能要求較高。實(shí)踐表明，當(dāng)氣溫低于 40C時(shí)，無(wú)人機(jī)的鋰電池電解液會(huì)變稠或凝結(jié)，使電池充、放電效率和電池電量降低，嚴(yán)重制約了無(wú)人機(jī)的工作時(shí)長(zhǎng)。[1]

2 高原、高海拔、高寒地區(qū)無(wú)人機(jī)在公路測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)飛行器系統(tǒng)、有效任務(wù)載荷和地面保障系統(tǒng)組成。其中，無(wú)人機(jī)飛行器系統(tǒng)又包括：飛行器平臺(tái)、推進(jìn)系統(tǒng)、飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)機(jī)載部分、起降系統(tǒng)機(jī)載部分等；有效任務(wù)載荷包括：高分辨率航空相機(jī)、小型合成孔徑雷達(dá)、高光譜成像系統(tǒng)、氣象傳感器包、新型紅外相機(jī)等；地面保障系統(tǒng)包括：起降系統(tǒng)地面部分、數(shù)傳系統(tǒng)地面部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面后勤人員、其它輔助設(shè)備等。

2.2 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)作業(yè)流程通常包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩部分。其中外業(yè)主要工作流程為：高原、高海拔、高寒地區(qū)公路沿線現(xiàn)場(chǎng)踏勘、無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)、航拍影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行檢查、像控布防方案設(shè)計(jì)及外業(yè)像控點(diǎn)量測(cè)等；內(nèi)業(yè)主要工作流程為：無(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測(cè)量、數(shù)字線劃圖DLG采集、外業(yè)調(diào)繪及成果檢查、內(nèi)業(yè)高程數(shù)據(jù)修正獲得滿足精度要求的DLG成果、成果資料整理與歸檔等。[2]

2.3 應(yīng)用實(shí)例

4D產(chǎn)品生產(chǎn)

我單位16年5月籌備組建無(wú)人機(jī)數(shù)字化攝影測(cè)量系統(tǒng)，極短時(shí)間完成相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)，人員培訓(xùn)，自己組裝雙發(fā)固定翼無(wú)人機(jī)，完成相機(jī)標(biāo)定，組建10人航測(cè)內(nèi)外業(yè)隊(duì)伍，有完成外業(yè)航飛、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的能力，生產(chǎn)4D、三維模型等產(chǎn)品，短短半年完成別人幾年籌備計(jì)劃，完成綿陽(yáng)三臺(tái)一環(huán)路、景觀大道、綿陽(yáng)108國(guó)道、涼山會(huì)理米易路新線、西藏山南扎郞縣80公里改線、西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新線等項(xiàng)目的三維模型、4D產(chǎn)品。完成320公里各種等級(jí)、困難地區(qū)的道路航測(cè)勘察任務(wù)。本文著重以西藏那曲嘉梨至比如170公里省道新線為例介紹、探討無(wú)人機(jī)航測(cè)與公路設(shè)計(jì)。

（1）線路概況。項(xiàng)目西藏那曲，線路主線上高原和高原峽谷各占一半、東西走向、100公里，支線70公里。此線路具有其他線路相同的特點(diǎn)，如線路曲折多變、需范圍很窄（僅需老路左右200米）等。又有自身的特點(diǎn)，如海拔高（平均海拔4800、4100～5200米），高差大（高差1100米左右）。作業(yè)時(shí)間 12月-1月，室外氣溫-26～2℃。溫度低會(huì)影響無(wú)人機(jī)的動(dòng)力鋰電池工作，縮短工作時(shí)間。部分地段是峽谷地形、峽谷底部?jī)H50米不到。業(yè)主對(duì)坐標(biāo)系沒(méi)有特殊說(shuō)明。為了項(xiàng)目后期便于作業(yè)，橢球采用WGS84，平面坐標(biāo)系用高斯投影、三度分帶，線路全部位于31經(jīng)區(qū)，中央子午線93°。高程坐標(biāo)系假定，采用海拔高。

（2）作業(yè)過(guò)程

1）基礎(chǔ)控制測(cè)量。根據(jù)項(xiàng)目需求，控制測(cè)量等級(jí)按常規(guī)GPS四等，四等GPS控制網(wǎng)的觀測(cè)和平差解算是高程網(wǎng)和平面控制網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行，儀器、人力有限和工作效率考慮，采用6臺(tái)華測(cè)I80GPS觀測(cè)，CGO平差解算，觀測(cè)和解算完全按照四等GPS規(guī)范要求進(jìn)行。無(wú)人機(jī)航空攝影

① 制定航飛計(jì)劃，根據(jù)項(xiàng)目需求（優(yōu)于1/500），測(cè)區(qū)情況，線路走向，需改線區(qū)域，地形高差，無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間，起降場(chǎng)地等規(guī)劃起降場(chǎng)地和航線。由其自身特點(diǎn)，所需寬度很窄，抗風(fēng)性弱，基高比，內(nèi)外業(yè)工作效率，后期數(shù)據(jù)處理，質(zhì)量和精度等綜合考慮，建議重疊度為航向75%、最小不低于55%，旁向75%、最小不低于50%。地形高差，設(shè)為一個(gè)航高，同一架次可以分為多個(gè)航高。對(duì)線路走向變化不大部分，可以采用平行航向，線路曲折，可以采用斜飛航向，保證有效重疊和線路覆蓋。無(wú)人機(jī)航線采用折線擬合的方法。本線路航跡如下所示。

② 外業(yè)航攝、差分POS解算、航飛資料質(zhì)量檢查。溫度基本都在零下，注意電池的保暖（電池貼暖寶寶效果還可以）。溫差大導(dǎo)致氣流變化大，無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力弱，航攝盡量安排在9.0-1.0點(diǎn)?？紤]到控制網(wǎng)已經(jīng)完成，所以差分POS采用是PPK模式，用waypoint解算的。由于工期緊張，航飛資料的不可能等后期處理發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采用Pix4D進(jìn)行初步處理和檢查，主要是以下幾個(gè)方面：重疊度是否達(dá)標(biāo)，抽查影像是否清楚和損壞，POS和影像數(shù)是否一致，范圍有沒(méi)有全覆蓋，相機(jī)設(shè)置是否正確等。

③ 像控點(diǎn)測(cè)量。主要有布設(shè)地標(biāo)，測(cè)量已有地物兩種，布設(shè)地標(biāo)需要在航攝前完成，航攝工期緊張、工序繁雜、地物較多（橋涵直角處、獨(dú)立石頭、道路交叉處、房角、季節(jié)性水坑銳角處、小而矮灌木叢、溝渠頭），采用先飛后測(cè)量明顯地物的布設(shè)方法，像控點(diǎn)測(cè)量采用單基站RTK方法進(jìn)行，由于GPS控制點(diǎn)一般遠(yuǎn)離線路，所以在路線附近設(shè)站，工程參數(shù)按照上述輸入，做基站平移，復(fù)核2-3個(gè)已知點(diǎn)。由于路線特殊性、海拔高、缺氧、人體力考慮，沒(méi)有按照常規(guī)的幾條基線或者航帶布設(shè)，而是按距離布設(shè)。峽谷地段，沿線路走向每 200米布設(shè)一對(duì)，盡量距老路 100米左右，保證線路可能經(jīng)過(guò)地方最近三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成正三角形。高原地段，由于地勢(shì)平緩，沿線路走向每 300米布設(shè)一對(duì)，盡量距老路 150米左右，保證線路可能經(jīng)過(guò)地方最近三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成正三角形。像控點(diǎn)必須在航飛范圍里面，改線的區(qū)域一定被控制點(diǎn)包括在內(nèi)。同時(shí)測(cè)量部分地物點(diǎn)坐標(biāo)用以檢核航測(cè)成果的準(zhǔn)確性。

④ 數(shù)據(jù)處理，

相機(jī)拍攝像片有畸變，相機(jī)參數(shù)通過(guò)軟件把影像去畸變，解壓成TIF格式，POS和影像名字對(duì)應(yīng)，做好數(shù)據(jù)預(yù)處理?？杖用埽椿謴?fù)無(wú)人機(jī)航攝瞬間影像的空間位置XYZ和姿態(tài)OPK。主要采用天寶的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Inpho，空三加密完全按照1/500航攝規(guī)范進(jìn)行加密，立體恢復(fù)及精度檢查，主要是檢查控制點(diǎn)滿足1/500精度，上下視差、模型接邊差滿足要求，才能進(jìn)行后續(xù)工作。

通過(guò)空三成果匹配出DEM、DSM，立體下編輯，輸出DEM和DSM（Las格式點(diǎn)云、DXF格式的特征線、約束線），正射單片糾正，勻色，鑲嵌，編輯，分幅輸出DOM。

同時(shí)空三成果導(dǎo)出外方位元素ORI（PATB格式）利用航天遠(yuǎn)景的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Mapmatrix立體采集,外業(yè)調(diào)繪，在CASS編輯，輸出線畫圖DLG

通過(guò)smart3D或者photoscan全自動(dòng)處理，少量的人工處理，無(wú)需人工干預(yù)輸出三維模型、三維景觀。

綜上所述，經(jīng)過(guò)航線規(guī)劃，無(wú)人機(jī)航攝，外業(yè)像控，內(nèi)業(yè)處理一系列流程，生產(chǎn)出4D產(chǎn)品及真實(shí)、精度達(dá)到厘米級(jí)的三維模型，為設(shè)計(jì)提供整套完整的初始資料。

3 高原、高海拔、高寒地區(qū)無(wú)人機(jī)在公路測(cè)量應(yīng)把握的主要問(wèn)題

3.1 加強(qiáng)無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)培訓(xùn)

由于無(wú)人機(jī)型號(hào)不一，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，必須在進(jìn)行公路測(cè)量前對(duì)有關(guān)人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)。培訓(xùn)時(shí)，要請(qǐng)無(wú)人機(jī)廠家派人實(shí)施，重點(diǎn)突出無(wú)人機(jī)的性能、組成、功能、操作、維護(hù)等內(nèi)容，特別是高原、高海拔、高寒地區(qū)的使用特點(diǎn)和注意事項(xiàng)，使無(wú)人機(jī)操作人員和地面操作、保障人員能夠熟練掌握無(wú)人機(jī)的操作、使用和保養(yǎng)、維護(hù)技能。

3.2 加強(qiáng)無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理

一是要優(yōu)選型號(hào)。保證無(wú)人機(jī)能在高原、高海拔、高寒地區(qū)正常工作。二是要持證上崗。無(wú)人機(jī)操作認(rèn)證工作，必須由廠家和使用單位共同實(shí)施，從高原、高海拔、高寒地區(qū)特點(diǎn)，到無(wú)人機(jī)飛行軌跡、安全控制、缺陷成像質(zhì)量等方面進(jìn)行認(rèn)證，確?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員持證上崗。三是要嚴(yán)格制度。要建立和健全無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理規(guī)章制度，將無(wú)人機(jī)管理、運(yùn)行、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)納入到制度體系之中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理制度化、規(guī)范化、科學(xué)化，確保無(wú)人機(jī)性能良好、飛行安全。

3.3 編制無(wú)人機(jī)測(cè)量方案

一是要搞好實(shí)地勘察。高原、高海拔、高寒地區(qū)地形復(fù)雜、氣候多變，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察至關(guān)重要，以確定是否存在禁飛區(qū)、電磁環(huán)境對(duì)飛行的影響、通道環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)的影響等。二是擬制測(cè)量方案。具體明確組織結(jié)構(gòu)、飛行線路、時(shí)間安排、人員分工、飛行保障、有關(guān)要求等，還要對(duì)意外事故處理等設(shè)置預(yù)案，并上報(bào)審批，確保無(wú)人機(jī)公路測(cè)量工作能夠順利展開。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，無(wú)人機(jī)在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測(cè)量中還處于探索階段，還需要不斷的實(shí)踐以獲取更多的經(jīng)驗(yàn)和成果。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和航空測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)在高原、高海拔、高寒地區(qū)公路測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)將更加明顯，將在我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略和公路交通發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮更大的作用。

[1]高坤,李昶君,楊金波等.無(wú)人機(jī)在高原山區(qū)線路巡檢中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2015,(4):130-131,133.DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2015.04.034.

[2]吳磊,金偉娜,燕樟林等.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在公路選線上的應(yīng)用研究[J].大壩與安全,2012,(2):35-38,42.DOI:10.3969/j.issn.1671-1092.2012.02.009.

[3]楊雪.無(wú)人機(jī)公路測(cè)繪應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].低碳世界,2014,(10):251-252,253.

K928

B

1007-6344（2017）02-0131-02