无人机摄影测量技术在线路工程勘测中的应用研究

杨德芳，王红莲，王桂前，杨晓英

(1 青海省第二测绘院，青海 西宁 810001;2 江苏省地质矿产局第六地质大队，江苏 连云港 222023)

1 引言

当前，线路工程勘测相关的地理信息数据获取主要方式是通过常规航空摄影测量和传统的测绘方法来实现的。常规航空摄影测量就是通过大中型飞行平台搭载专业量测相机(航空摄影仪)实现的，可以迅速获取高分辨率影像数据［1］。这些影像数据能满足线路工程勘测设计阶段的应用，但受空域、工程进度、天气等诸多因素的影响，费用较高，且短距离、设计等级较低的工程不宜采用，对其应用的深度和广度造成了影响。传统的测绘方法需要投入大量的人力、物力而且存在外业劳动强度大、施工周期长、部分危险测区测绘人员难以进行现场勘测等缺点。

近年来，随着无人机航空摄影测量技术的迅速发展，在我国的航测遥感领域受到越来越多的欢迎，已广泛应用于应急测绘、国土资源、林业、农业等诸领域，但在高海拔地区的线路工程勘测中的应用相对少见。

2 无人机系统简介

无人机航测系统是一种以无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV)为飞行平台，搭载小型非量测数码相机(影像传感器)，利用卫星导航定位技术、通讯技术来进行低空的航摄飞行以获取地面清晰影像数据的一种航测系统［2］。无人机低空航测系统由非量测数码相机、GPS 导航、无人机信号传输、飞行控制操作和无线电遥测系统组成，具有操作方便快捷、环境影响小、成本较低、分辨率高、作业周期短等优势［3］。

3 无人机摄影测量技术

3.1 无人机测量技术的优势

21 世纪以来，无人机不仅在军用方面得到了迅速发展，也在民用方面越来越受到欢迎，尤其表现在低空摄影方面。低空无人机可以方便快捷地实现数码影像获取。与传统工程测量、航空摄影测量相比，无人机摄影测量技术具有自己的特点。

3.1.1 造价低廉，发生事故率低，数据获取快捷

材质使用复合材料，如果出现破损可以随时更换，维修成本低。影像数据形象、准确。作业效率极高，成本花费较低。

3.1.2 体积较小、操作灵活、起降方便

无人机的灵活性、体积小等特点使起降不需要在特殊的跑道上起降，起飞多采用弹射起飞、滑跑起飞，降落多采用滑降、伞降等方式。

3.1.3 方便运输，能灵活搭载相机

自身体积较小，便于携带，可以直接放在车里运输。在保证获取清晰影像的前提下，相机也可以灵活搭载。

3.1.4 安全性可靠、空域限制较小

能避免驾驶员的伤亡，在复杂地形、气候条件恶劣的条件下，能执行低空危险性极高的测绘任务，测量人员不需要冒险进行数据采集。

但是，无人机测量技术也有一些不足，例如在大风、大雾、大雨等极其恶劣的天气以及一些高海拔、悬崖等复杂的地形条件下都会影响无人机飞行以及影像数据的获取。

3.2 无人机摄影测量生产技术流程

无人机摄影测量的生产技术流程如图1 所示。

图1 无人机摄影测量生产技术流程

4 应用案例

4.1 测区概况

本次项目测区位于青海省境内库格线路K280—K330 段，总长约为30 km。整个测区地形属于山地地形，其最高海拔约为3300 m，最低海拔约为2900 m，被测区以沙漠地形为主，地貌单一，地物稀少，通视情况良好。测图范围是沿线路中线两边各约800 m，面积约为24 km2。

4.2 影像数据的获取与处理

4.2.1 航摄方案设计

被拍摄的原始数据影像要保证航向重叠为70%，旁向重叠为40%。最终航摄方案设计能获取真彩色的影像，其影像地面分辨率优于0.1 m。航摄飞行参数指标如表1 所示，满足制作1∶2000 带状地形图来进行道路规划设计的要求。

表1 航摄飞行参数指标

根据项目范围，在保证航摄范围完全覆盖测图区域，航向、旁向重叠度满足航飞项目主要技术要求的前提下，参照航线设计成果和地形条件，使用UP30 航线设计软件进行航线设计。项目分为3 个摄区，每个摄区至少6 条航线，如图2 所示。

图2 K280－K290 摄区段的航线

4.2.2 像控点测量

测区像控点采用区域网布设方案，要求所有控制点均为平高控制点。平高点应布设在旁向重叠中线附近，要求总体按航向方向隔6 条基线布设平高点，旁向每条航线布设平高点，控制点应尽量布设于摄区范围内的边缘处及6 度重叠区域。由于沙漠地区地貌单一，地物稀少，像控点应在飞行前提前布设。利用周围已有GPS 控制点，采用RTK 技术引测测像控点坐标。如图3 所示。

图3 K280－K290 摄区段的像控点

4.2.3 空三加密

空中三角测量使用PixelGrid 自动空中三角测量系统实施，内业解算定向点的平面坐标和高程值，其内业加密点对附近野外控制点的平面位置中误差、高程中误差不应大于表2 数据，按《1 ∶500 1∶1000 1 ∶2000 地形图航空摄影测量内业规范》(GBT 7930—2008)中1∶1000 精度设计要求［4］。

表2 平面位置、高程中误差

4.2.4 生成DLG 产品

本测区结合航摄提供的外业控制测量成果和内业空三加密成果，在全数字摄影测量系统中恢复立体模型，详细采集道路、房屋、水系、管线、地貌等地形要素［5］。本次采用立体测图方法，数据采集以立体像对为单位进行.数据采集原则上先是内业解译定位，再是外业调绘定性。内业解译人员首先采集立体影像上可见度清晰的地物要素对内业有把握并能正确判定的地物用测标中心精确的切准地物的特征点、外轮廓线准确解译，不得移动位置、变形和遗漏［6］。有些地物在立体模型中是难以辨别清楚的(譬如阴影部分、隐蔽地区要素)，要用特殊颜色的线条圈出范围。将采集的地形要素与数字正射影像叠加制作调绘片，以便外业实地进行补测、补调。起初采取先内业后外业再到内业的作业方式对矢量数据进行编辑，从而最终形成1∶2000 带状DLG 产品，如图3 所示。

图4 DLG 生产流程

4.2.5 质量检查

(1)平面位置检查

为了检查DLG 成果平面位置的可靠性，本次在实验区随机选取18 个明显地物特征点进行平面位置的质量检查，采取的方法是野外RTK 实地测量地物特征点的平面坐标，以检查地形图平面成果质量。

从抽查的点位可知，平面点位中误差满足1∶1000 地形图平面中误差的要求，因此也满足1∶2000大比例尺成图的要求。

(2)高程值检查

本次高程检查通过实地RTK 测量中线数据18个点的高程与线路软件数地模内切高程进行比较，检查地形图高程值的质量。

表4 内插高程与RTK 实测高程对比表

从抽验检查点的高程统计表上进行误差分析，高程互差在－0.6 m 至0.6 m 之间的占83.33%，有15 个;在±0.6 m 以外的占11.11%，有2 个:数据抽检合格。高程互差在－ 1 m 至1 m 之间的占94.44%，有17 个。对以上误差分析而言，由误差的特性可以得出以下几点结论:

1 最大值差2.16 m，其大于2 m 的只有1 个点，推测是粗差，应该剔除。

2 引起误差的原因有RTK 实测时的对准误差、地形图内插误差。

3 抽样成果上可以看出，满足1∶ 2000 的地形图高程精度。

综上所述抽查点位的平面位置精度、高程精度的结果已经符合《公路勘测规范》(JTG C10－27)1∶2000 公路地形图测量的要求，能满足公路设计的要求。

5 结语

结合具体的工程项目介绍了无人航测技术在高海拔公路带状地形测量中的应用。实验区的数据可以表明无人机摄影测量技术在高海拔线路工程勘测中能满足1∶2000 地形图的要求，这就为以后在高海拔线路工程勘测提供了新的解决方案，打破了传统摄影测量技术在高程勘测中的应用。

［1］李少龙.无人机摄影测量技术在输电线路工程中的应用研究［D］.西安:长安大学，2012.

［2］王聪华.无人飞行器低空遥感影像数据处理方法［D］.济南:山东科技大学，2006.

［3］杨燕明，郑凌虹，文洪涛，等.无人机遥感技术在海岛管理中的应用研究［C］//第五届青年海洋科学研讨会.2011:6－10.

［4］李云涛，赵永铎，詹英，等.VirtuoZo 全数字摄影测量工作站处理数码影像的生产应用［J］.测绘与空间地理信息，2013，36(12):233－235.

［5］薛长峰.航片数字化成图方法［J］.科技创新与应用，2013，(16):81－81.

［6］周光平，陈玲.DMCⅡ数码影像在大比例尺地形测绘中的应用［J］.城市勘测，2012，(1):54－56.