鄭 亮，董衛(wèi)艷，原保成

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056； 2. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142； 3. 北京優(yōu)飛全景科技有限公司，北京 100027)

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無人機(jī)遙感在海外高速公路勘測中的應(yīng)用

鄭 亮1，董衛(wèi)艷2，原保成3

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056； 2. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142； 3. 北京優(yōu)飛全景科技有限公司，北京 100027)

作為一種新興的航空遙感技術(shù)，無人機(jī)遙感為海外高速公路項(xiàng)目大比例尺地形圖測繪提供了新的解決方案。本文闡述了公路無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成及性能要求，并以巴基斯坦PKM項(xiàng)目為例，詳細(xì)討論了無人機(jī)遙感技術(shù)在公路地形測繪的技術(shù)方法，以及達(dá)到的精度指標(biāo)，為國內(nèi)工程單位開展高速公路無人機(jī)勘察設(shè)計(jì)提供了借鑒和指導(dǎo)。

無人機(jī)；UAVRSS；高速公路；航空攝影；地形圖

隨著國家“一帶一路”重大戰(zhàn)略的推進(jìn)和實(shí)施，海外高速公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目逐年增長。航天和航空遙感是公路勘測的主要技術(shù)手段，但是對于許多不發(fā)達(dá)國家，不具備航空攝影條件。特別是有些國家，注重隱私的保護(hù)，人工測量難免要進(jìn)入民居、清真寺等敏感區(qū)域，造成不便。無人機(jī)遙感(UAV remote sensing,UAVRS)是集成先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GNSS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)Φ乩砜臻g信息進(jìn)行自動化、智能化、專業(yè)化、快速化獲取，并實(shí)時處理、建模和分析的新興航空遙感技術(shù)解決方案。相對于傳統(tǒng)對地觀測的航天和航空遙感，UAVRS具有高分辨率、全天候、機(jī)動靈活、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，為應(yīng)對海外公路勘測難題提供了新的解決方案。

巴基斯坦卡拉奇—拉合爾高速公路項(xiàng)目(簡稱PKM項(xiàng)目)是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”最大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，其中蘇克爾—木爾坦段長392 km，全線按照雙向6車道、時速120 km標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。PKM項(xiàng)目參照國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)、施工同步進(jìn)行，采用UAVRS進(jìn)行了1∶2000比例尺地形圖航空攝影，取得了滿意的效果。

1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)

無人機(jī)遙感系統(tǒng)(UAV remote sensing system,UAVRSS)是對UAV的擴(kuò)展，包括飛行器系統(tǒng)、任務(wù)載荷、地面保障系統(tǒng)等，任務(wù)載荷主要為各類成像或非成像傳感器，具備飛行、控制及遙感影像或視頻的獲取、處理、傳輸?shù)裙δ艿臒o人航空遙感與攝影測量系統(tǒng)。公路無人機(jī)遙感系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 飛行平臺

飛行平臺用于搭載任務(wù)設(shè)備并執(zhí)行航攝飛行任務(wù)，包括：機(jī)體、動力系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、起落架及其他保證飛行平臺正常工作的設(shè)備和部件。UAVRSS飛行平臺以固定翼及多軸旋翼兩種結(jié)構(gòu)為主，其中固定翼UAV分為油動和電動兩種動力類型。油動UAV續(xù)航時間約4～6 h，最大任務(wù)載荷約2～3 kg；電動UAV續(xù)航時間約1～2 h，最大任務(wù)荷載約1～2 kg。多軸旋翼UAV的任務(wù)載荷較大一般在5 kg以上，但是續(xù)航時間很短，大多數(shù)不超過0.5 h，巡航速度為30～50 km/h，且抗風(fēng)能力比較差。

圖1 公路無人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

公路帶狀地形圖具有長距離、大范圍的特點(diǎn)，對飛行平臺的主要性能指標(biāo)具有一定要求：①任務(wù)載荷大于2 kg；②巡航速度為60～160 km/h；③實(shí)用升限高于海拔3000 m；④續(xù)航時間大于1.5 h；⑤抗風(fēng)能力大于4級。固定翼型UAV具有任務(wù)載荷大、續(xù)航時間長、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于公路項(xiàng)目的航空攝影。

1.2 飛控導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

飛控導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是飛行器的核心部件，負(fù)責(zé)無人機(jī)的導(dǎo)航、定位和自主飛行控制。系統(tǒng)包括：飛控板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GNSS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等部件，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行姿態(tài)、飛行高度、飛行速度的穩(wěn)定控制，可預(yù)置航線，實(shí)現(xiàn)對飛行軌跡的控制，并響應(yīng)地面監(jiān)控站的遙控指令。公路勘測對于地形測繪精度有著較高要求，要求飛行姿態(tài)控制穩(wěn)定：橫滾角誤差小于±3°，俯仰角誤差小于±3°，航向角誤差小于±3°。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

UAVRSS數(shù)據(jù)傳輸包括兩個方面：①傳送無人機(jī)和遙感設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)時顯示飛機(jī)姿態(tài)、高度、速度、航向、方位、距離及機(jī)上電源的狀態(tài)，并傳輸?shù)孛娌倏厝藛T的指令；②傳輸無人機(jī)獲取的影像、視頻等遙感信息。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為空中與地面兩個部分，包括數(shù)傳電臺、天線、數(shù)傳接口等?？刂菩畔⒌膫鬏斖ㄟ^無線電遙測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并在地面監(jiān)控系統(tǒng)中以數(shù)據(jù)和圖形方式顯示。遙感信息的傳輸比控制信息的傳輸要復(fù)雜得多，高分辨率影像數(shù)據(jù)量大，受限于無線信道傳輸帶寬，實(shí)時下傳過程中多采用高壓縮比的有損圖像壓縮技術(shù)。為確?？焖?、安全、高質(zhì)量獲取遙感數(shù)據(jù)，除了高效可靠的數(shù)傳鏈路系統(tǒng)，同時應(yīng)進(jìn)行機(jī)上數(shù)據(jù)備份。

1.4 任務(wù)載荷

UAVRSS任務(wù)載荷包括各類成像或非成像傳感器，如數(shù)碼航攝儀、POS定位定姿系統(tǒng)等。在公路勘測應(yīng)用中，任務(wù)載荷大部分為非量測數(shù)碼相機(jī)，包括單反相機(jī)、微單相機(jī)。對于非量測數(shù)碼相機(jī)，內(nèi)方位元素未知且存在較大的光學(xué)畸變誤差，在航攝前需要進(jìn)行機(jī)檢校，確保獲取的影像數(shù)據(jù)滿足精度要求。

傳感器是UAVRSS的基礎(chǔ)設(shè)施，一些廠商推出了無人機(jī)專用的小型多光譜/高光譜成像儀、合成孔徑雷達(dá)、激光掃描儀等，這些新型傳感器重量輕、體積小且探測精度高，能夠擴(kuò)展UAVRSS在公路地質(zhì)災(zāi)害評估、高速公路改擴(kuò)建等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.5 地面保障系統(tǒng)

UAVRSS地面保障系統(tǒng)包括地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面保障設(shè)備、發(fā)射與回收系統(tǒng)3個部分。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)飛行任務(wù)規(guī)劃、發(fā)送控制指令、接收控制信息和遙感信息等。地面保障設(shè)備負(fù)責(zé)為無人機(jī)航攝安全作業(yè)提供基本設(shè)備保障。發(fā)射系統(tǒng)確保無人機(jī)在一定距離內(nèi)可加速到起飛速度；回收系統(tǒng)為無人機(jī)從空中安全著陸提供保障。

2 航攝準(zhǔn)備

航攝準(zhǔn)備包括：制定航攝計(jì)劃、設(shè)備檢查、相機(jī)檢校。航攝計(jì)劃時，采用衛(wèi)星影像圖疊加公路線位，確定任務(wù)的范圍，初步了解測區(qū)的地形情況、交通情況；通過現(xiàn)場勘查掌握測區(qū)內(nèi)是否有空中管制及軍事場所，以確定適合的起降場地，并針對可能出現(xiàn)的緊急情況制訂應(yīng)急預(yù)案。

PKM項(xiàng)目飛行平臺采用油動型UAV，機(jī)長2 m，翼展3.2 m，最大續(xù)航時間6 h，最大平飛速度115 km/h，一架次飛行距離約500 km。任務(wù)載荷為佳能5DSR數(shù)碼相機(jī)，像幅大小為8688×5792像素，像素大小為4.143 μm，焦距為34.12 mm。航空攝影前，在室內(nèi)檢校場對數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，獲取了準(zhǔn)確的相機(jī)內(nèi)方位元素和畸變系數(shù)。

3 航線設(shè)計(jì)

3.1 地面分辨率的選擇

選擇地面分辨率時，根據(jù)不同比例尺航攝成圖的要求結(jié)合分區(qū)的地形條件、測圖等高距、航攝基高比及影像用途等，在確保成圖精度的前提下，盡可能有利于縮短成圖周期、降低成本、提高測繪綜合效益。表1列舉了公路勘測中常用比例尺地形圖測制的影像地面分辨率指標(biāo)。PKM項(xiàng)目測區(qū)地形平坦，大部分為廣闊的農(nóng)田，高程精度要求很高，為確保地形圖成圖精度，采取提高影像解析力方式，將地面分辨率設(shè)計(jì)為6 cm。

表1 地面分辨率選擇

3.2 航攝分區(qū)

與傳統(tǒng)航空攝影相比，UAVRSS的續(xù)航時間短，傳感器像幅小，單架次航攝面積有限。公路線位較長，一般需要劃分多個航攝分區(qū)，遵循以下原則：①航線布設(shè)與路線走向相一致；②分區(qū)內(nèi)的地形高差一般不應(yīng)大于1/6攝影航高；③確保航線直線性的情況下，分區(qū)的跨度應(yīng)盡量劃大，能完整覆蓋整個攝區(qū)。各分區(qū)航攝參數(shù)計(jì)算方法如下：

(1) 分區(qū)基準(zhǔn)面高度：依據(jù)分區(qū)地形起伏、飛行安全條件等確定分區(qū)基準(zhǔn)面高度。以分區(qū)內(nèi)具代表性的高點(diǎn)平均高程與低點(diǎn)平均高程之和的1/2求得

(1)

式中，hmax為分區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)；hmin為分區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)。

(2) 相對航高

(2)

式中，f為主距；GSD為地面分辨率；u為像元大小。

(3) 攝影基線

(3)

式中，LX為像幅寬度；PX為航向重疊度；H為航高；f為主距。

(4) 航線間隔

(4)

式中，LY為像幅寬度；PY為航向重疊度；H為航高；f為主距。

PKM項(xiàng)目沿推薦路線布設(shè)航線，劃分為14個航攝分區(qū)，航向覆蓋超過攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于5條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的50%，如圖2所示。

由于測區(qū)地形起伏較小，全線最大高差僅為60 m，作一個分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。為克服影像傾角較大的問題，設(shè)計(jì)航向重疊度為80%，旁向重疊度為50%，主要航攝參數(shù)見表2。

圖2 航線布設(shè)

m

4 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)布設(shè)為平高點(diǎn)，為確保像控點(diǎn)測量精度，采用直徑60 cm的圓形，泥質(zhì)地面使用白石灰粉，瀝青路水泥地等硬質(zhì)地面使用白色油漆布設(shè)。航向間隔1 km，間隔一條航線布設(shè)像片平高點(diǎn)。像控點(diǎn)一般布設(shè)在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi)，使布設(shè)的像控點(diǎn)盡量公用。航攝分區(qū)接合處,像控點(diǎn)布設(shè)在航線重疊結(jié)合處。像控點(diǎn)采用RTK測量，每個點(diǎn)獨(dú)立觀測兩次，取兩次測量的平均值作為最終像控點(diǎn)成果。

5 航空攝影及成果

航空攝影實(shí)施過程風(fēng)力應(yīng)不大于4級。通過地面監(jiān)控站實(shí)時監(jiān)控?zé)o人機(jī)的橫滾角、俯仰角、航向角、衛(wèi)星數(shù)量、空速等飛行參數(shù)，當(dāng)無人機(jī)姿態(tài)長時間超出限差時，應(yīng)及時召回，重新進(jìn)行飛行。

UAVRSS航攝成果包括原始影像、相機(jī)參數(shù)、攝區(qū)航線和像片結(jié)合圖、GNSS數(shù)據(jù)。檢查分為影像質(zhì)量檢查和飛行質(zhì)量檢查兩部分。影像質(zhì)量要求成像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和；能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，建立清晰的立體模型。飛行質(zhì)量檢查包括：像片重疊度、像片傾角、像片旋角、航高保持及是否存在航攝漏洞等。

6 地形圖精度及分析

PKM項(xiàng)目采用INPHO全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密，根據(jù)飛行情況及像控點(diǎn)分布，劃分為23個區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行加密。航攝成果整理后，通過INPHO的Match-AT模塊，導(dǎo)入數(shù)碼相機(jī)參數(shù)、POS文件及控制點(diǎn)成果，生成影像金字塔后，自動匹配區(qū)域網(wǎng)影像產(chǎn)生匹配連接點(diǎn)，經(jīng)過光束法區(qū)域網(wǎng)平差，輸出加密成果并導(dǎo)入Mapmatrix測圖軟件，進(jìn)行數(shù)字線劃圖的立體采集。

6.1 高程插值精度分析

檢查方法：對K491+000～K577+000(86.000 km)的中樁高程進(jìn)行RTK實(shí)測，中樁樁距25 m，共實(shí)測3439個中樁高程；使用UAVRSS測制地形圖為數(shù)據(jù)源生成DTM，在中樁處內(nèi)插出對應(yīng)高程值，與RTK實(shí)測高程值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)高程較差。如圖3所示，橫坐標(biāo)為高程較差區(qū)間，縱坐標(biāo)分別為中樁點(diǎn)個數(shù)及較差區(qū)間所占比例。其中，較差小于±0.1 m的中樁點(diǎn)占60.43%，較差小于±0.2 m的中樁點(diǎn)占79.79%，較差大于±0.5 m的中樁點(diǎn)僅占4.77%，DTM插值精度滿足施工圖設(shè)計(jì)要求。

圖3 DTM差值精度

6.2 檢查點(diǎn)精度分析

檢查方法：根據(jù)地形圖上地物點(diǎn)三維坐標(biāo)與RTK實(shí)測地物點(diǎn)三維坐標(biāo)的較差統(tǒng)計(jì)中誤差，平面及高程中誤差為

(5)

式中，Δ表示實(shí)測地物點(diǎn)與圖上地物點(diǎn)坐標(biāo)較差；n表示檢查點(diǎn)總數(shù)。外業(yè)抽查測圖平面點(diǎn)811個，測圖高程點(diǎn)817個，允許中誤差2倍以內(nèi)的誤差值均參與數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì)，分別對平面、高程統(tǒng)計(jì)中誤差，精度見表3。

表3 地形圖平面/高程精度 m

7 結(jié) 語

UAVRSS能夠?qū)崟r獲取高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，具有其他遙感技術(shù)不可替代的優(yōu)點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)航空遙感受制于機(jī)動性、氣象條件等因素的影響，彌補(bǔ)了航天遙感在影像分辨率上的不足。利用UAVRSS獲取的遙感影像進(jìn)行航測成圖，平面及高程精度完全能夠滿足《公路勘測規(guī)范》對平原地區(qū)1∶2000比例尺地形圖的精度要求。利用UAVRSS測制地形圖平面精度明顯好于高程精度，能夠達(dá)到1∶500～1∶1000比例尺地形圖的平面精度要求。

續(xù)航時間短、傳感器像幅小、類型單一、外業(yè)工作量大、高程精度不理想是制約UAVRSS發(fā)展的主要瓶頸。提高航攝效率，集成高精度POS系統(tǒng)，搭載大像幅、多傳感器是未來UAVRSS發(fā)展的主流方向。

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Application of UAV Remote Sensing in Overseas Highway Reconnaissance

ZHENG Liang1，DONG Weiyan2，YUAN Baocheng3

(1. CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd., Wuhan 430056， China; 2. China Railway Design Corporation, Tianjin 300142， China; 3. Beijing U-View Technology Co. Ltd., Beijing 100027, China)

UAV remote sensing system provides a new solution for the problem of topographic map surveying in overseas highway project. This paper introduces the composition and performance of UAV remote sensing system. Taking PKM project as an example, the paper discusses the UAV remote sensing technology in highway surveying, and reports the accuracy of the results.

UAV; UAVRSS; highway; aerial photography; topographic map

鄭亮，董衛(wèi)艷，原保成.無人機(jī)遙感在海外高速公路勘測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(7)：81-84.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0228.

2017-03-30；

2017-05-05

中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院科技研發(fā)項(xiàng)目(KJFZ-2015-075)

鄭 亮(1980—)，男，博士，高級工程師，主要從事公路攝影測量與遙感方面的工作。E-mail：zhengliang_313@163.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0081-04