陳江，袁士才，周佳，傅向全，郭乙輝

（長(zhǎng)江師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院）

1 引言

我國(guó)西南片區(qū)多以山地、丘陵為主，交通是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大制約因素，區(qū)域交通的規(guī)劃設(shè)計(jì)往往離不開前期的勘察工作。目前，道路前期勘察工作中，帶狀地形圖測(cè)量方法主要有全站儀測(cè)量、GNSS‐RTK 測(cè)量以及傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量法[1]。無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，輔以專用航線規(guī)劃軟件控制自主飛行來(lái)獲取高分辨率遙感影像的遙感技術(shù)，其具備起飛條件機(jī)動(dòng)靈活、定位精確、地理信息采集方便、影像遙感信息處理及時(shí)高效等優(yōu)點(diǎn)[2‐3]。根據(jù)相關(guān)研究資料證實(shí)，經(jīng)過(guò)地面像控點(diǎn)的加密，測(cè)量成果可以達(dá)到1:2000 比例尺、甚至1:1000比例尺地形圖的精度要求，為無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在公路帶狀地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用提供生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4‐5]。一般來(lái)說(shuō)，常見的低空無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)主要有固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼平臺(tái)、復(fù)合式布局無(wú)人機(jī)等種類[6]。固定翼及復(fù)合翼無(wú)人機(jī)相關(guān)研究成果較多，且在大型工程勘測(cè)項(xiàng)目應(yīng)用中取得了很好的效果，但是這兩種無(wú)人機(jī)系統(tǒng)較為昂貴，一般性企事業(yè)單位以中小型項(xiàng)目為主，設(shè)備購(gòu)置及維護(hù)的經(jīng)濟(jì)壓力較大，因此，以價(jià)格比較親民的消費(fèi)型多旋翼無(wú)人機(jī)開展應(yīng)用研究很有必要。

2 航測(cè)實(shí)驗(yàn)

為充分研究消費(fèi)型無(wú)人機(jī)在中小項(xiàng)目中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分析相控點(diǎn)的布設(shè)方法，驗(yàn)證不同像控下的具體精度，以某道路工程項(xiàng)目為例，采用大疆精靈4Pro無(wú)人機(jī)開展航測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)位于重慶市涪陵區(qū)內(nèi)，呈帶狀分布，長(zhǎng)約1500m，寬約200m，地勢(shì)北高南低，高差約80m。路基形式主要為全填或全挖，邊坡較陡。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為四個(gè)步驟。

①前期規(guī)劃，根據(jù)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及該測(cè)區(qū)相關(guān)材料，初步規(guī)劃像控點(diǎn)的布設(shè)、檢核點(diǎn)的采集以及航測(cè)參數(shù)選取等工作；

②外業(yè)測(cè)量，先進(jìn)行像控點(diǎn)、檢核點(diǎn)的實(shí)地布點(diǎn)，之后開展點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集及實(shí)地航飛，并檢查坐標(biāo)數(shù)據(jù)及像片完整性；

③內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)航測(cè)成果利用專用軟件進(jìn)行分析處理；

④成果分析，采用多種像控方案進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，對(duì)比其不同方案下的精度變化規(guī)律，從而推導(dǎo)最優(yōu)方案。

2.2 具體實(shí)施

為盡可能提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)精度，并保證一架次飛行覆蓋更多區(qū)域，確定以中間點(diǎn)作為起點(diǎn)，該點(diǎn)接近區(qū)域平均高程。經(jīng)公式計(jì)算，航高為105m時(shí)，地面分辨率為2.9cm 能滿足實(shí)驗(yàn)要求，依此進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，同理，計(jì)算山頂點(diǎn)（區(qū)域最高點(diǎn)）及山底點(diǎn)（區(qū)域最低點(diǎn)）飛行參數(shù)，可見數(shù)據(jù)滿足規(guī)范規(guī)定。

像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和位置，對(duì)實(shí)景模型精度、外業(yè)測(cè)繪工作量、模型構(gòu)建成本等會(huì)產(chǎn)生很大影響[7]。為保證實(shí)驗(yàn)區(qū)域模型精度，設(shè)計(jì)布設(shè)5 個(gè)像控點(diǎn)，并在道路斷面上每隔一定間距布設(shè)檢核點(diǎn)，點(diǎn)位布設(shè)如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)概況及像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

像控布設(shè)完成后，進(jìn)行無(wú)人機(jī)航飛，飛控采用DJI GS Pro航飛軟件，根據(jù)計(jì)算的航測(cè)參數(shù)，進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，使其根據(jù)設(shè)置航線自主飛行，飛行結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)檢核是否存在像片不清晰、漏片等情況。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

本次實(shí)驗(yàn)像片處理采用Pix4D 軟件。首先將像片導(dǎo)入軟件中，之后將像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行刺點(diǎn)，最后進(jìn)行處理選項(xiàng)設(shè)置。將初始化處理、點(diǎn)云及紋理以及DSM、正射影像和指數(shù)這三個(gè)步驟中的選項(xiàng)，根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行設(shè)置后，開始運(yùn)行處理即可。為驗(yàn)證像控點(diǎn)與精度關(guān)系，本次處理采用3種方案。方案1：選用5 個(gè)像控點(diǎn)，即全部參與處理，像控點(diǎn)間距約400m；方案2：選用3 個(gè)像控點(diǎn)，即首、尾、中間點(diǎn)參與處理，像控點(diǎn)間距約750m；方案3：選用2個(gè)像控點(diǎn)，即首、尾點(diǎn)參與處理，像控點(diǎn)間距約1500m。3 種方案的處理過(guò)程未出現(xiàn)缺少數(shù)據(jù)、像片不足等運(yùn)行問(wèn)題，最終得到相應(yīng)成果。

3 成果分析

3.1 平面位置對(duì)比分析

將成果中的正射影像、實(shí)測(cè)的檢核點(diǎn)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入南方CASS10.1 軟件中，檢查點(diǎn)位的對(duì)應(yīng)程度，實(shí)際效果中發(fā)現(xiàn)三種方案均存在一定的誤差。為使其更有針對(duì)性，以道路斑馬線、井蓋等設(shè)置點(diǎn)位進(jìn)行平面誤差分析，其中紅色方格為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，藍(lán)色方格為影像位置，可見像控點(diǎn)越稀疏，平面誤差越大，情況如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析示意圖

3.2 點(diǎn)位誤差對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)地測(cè)量值和軟件量測(cè)值的分布情況，計(jì)算出三維模型三個(gè)方向的中誤差及平面中誤差，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 點(diǎn)位誤差分析表

3.3 像控點(diǎn)位置與檢測(cè)點(diǎn)位精度分析

通過(guò)誤差分析表可見，在山區(qū)道路勘測(cè)中，像控點(diǎn)的布設(shè)至關(guān)重要。由于山區(qū)道路本身的起伏極大，如果像控點(diǎn)間距超過(guò)1km，引起的平面誤差、高程誤差可達(dá)到米級(jí)。像控點(diǎn)間距在400m 左右時(shí)，點(diǎn)位誤差能控制在0.1m 以內(nèi)，而且像控間距越大，點(diǎn)位誤差越大，且變化不為簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，同時(shí)，像控點(diǎn)發(fā)揮著誤差擬合作用，離像控點(diǎn)越遠(yuǎn)的檢核點(diǎn)誤差越大，另外，由于原始地形存在高差，因此體現(xiàn)出航測(cè)相對(duì)高度對(duì)分辨率及檢核點(diǎn)誤差也有一定的影響。

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003‐2010）要求，不同比例尺地形圖中內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)位精度要求，可見，方案1滿足1:500成圖要求，方案2基本滿足1:1000成圖要求。

4 結(jié)語(yǔ)

重慶、四川地區(qū)地形條件復(fù)雜，多為山地、丘陵地形，傳統(tǒng)道路勘測(cè)手段十分艱苦。本文以中小型道路工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，以較為常見的消費(fèi)型無(wú)人機(jī)展開航測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)三種不同的像控點(diǎn)設(shè)計(jì)，分別得到了不同的航測(cè)成果，并對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)對(duì)點(diǎn)位精度的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并證實(shí)了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在道路勘測(cè)繪圖中的應(yīng)用前景。但本實(shí)驗(yàn)還存在不足之處，如檢核點(diǎn)斷面可進(jìn)一步加密、像控點(diǎn)可雙排或星形布設(shè)以及項(xiàng)目區(qū)域茂密植被覆蓋較少等，今后將繼續(xù)開展研究，持續(xù)擴(kuò)大無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于更多類型的工程項(xiàng)目，降低生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的巨大應(yīng)用價(jià)值。