浅谈无人机摄影测量在高边坡测量中的应用

孔德抗

中铁十六局集团第一工程有限公司

1 引言

无人机技术用于地理信息测量，可以利用其搭载的摄像头在高空实现大角度、立体化的拍摄，自动化程度较高，获得的信息全面而又准确，因此在公路测绘、全景图像生成等方面有广泛的应用。无人机航拍技术拍摄出来的地面景象不容易失真，并且能够对这些原始景象数据信息进行处理，获得理想的显示效果，便于人眼识别，便于直接使用。因此，带来了很好的用户体验，具有很高的科研以及商业应用价值。

2 概述

柳州市莲花大道工程主线道路全长5370.301m，包含11 处多级不规则高边坡。传统上，对于高边坡的测量，一般采用人工操作全站仪、GPS仪的方式进行，本次采用无人机航拍航测的技术实现全景式测量，收到了良好的效果。

之前采用传统人工方法进行测量时，一般需要用十几个小时的时间才能完成一处高边坡的测量工作，现在采用无人机航测方法之后，基本上原来十几个小时的工作量几分钟之内就能完成，大大提高了工作效率。同时，无人机航测技术拍摄出来的效果很好，尤其是对于边坡呈不规则形状的地方，实现了高精度测量，测量的数据更有权威性。

3 无人机航测技术

3.1 航拍特点

无人机航测技术是在传统航测航拍技术基础上发展起来的，主要是利用了无人机的高空无障碍飞行、搭载的摄像头可以全方位工作等优势，可以实现机动灵活基础上的高效拍摄，尤其是对于人迹难以到达的区域更是具有无可替代的优势。无人机航拍出来的图像很清晰，可以采用不同的比例标准进行显示，经常用在小面积区域（如各种道路、桥梁、海岸线等）的摄影测量过程中。

3.2 航拍摄影测量原理

无人机航拍就是将特定用途的摄像头搭载在无人机上，通过操纵摇杆对地面扫描获取各种影像数据。这种技术的具体操作方法是：用遥控器控制飞机，通过规划的航线来回飞行获取坡体数据；然后对采集到的数据进行计算和分析，用各种数学算法建立几何模型，并进行显示，同时也可以基于这些数据进行特定用途的分析。

3.3 航拍准备

（1）观察。每当要拍摄一个不熟悉的地点时，打开卫星地图软件，让自己对这个地点有个清晰的概念和认知。利用卫星地图软件可以对要航拍的区域有一个大体的了解，识别出各种建筑物、停车场、道路、桥梁等，提前确定好航拍区域的整体概况，有利于选择具体的航拍位置和角度。在这个基础上，还可以提前选定标致性的建筑物，便于对航拍区域进行定位和标注。同时，要基于这些信息制定航拍计划，对航拍作业有一个整体的规划，从而确保航拍效果达到预期。

（2）选择起飞点。一般，起飞点选择在视野开阔的区域，这样有利于操作手的操作，同时也有利于各种遥控信号、图像数据的传输。选择起飞点时，还要考虑到航拍画面起幅或落幅处是否有合适的前景，这也可以作为选择的一项参考。

（3）航线规划。进行航线选择时，首先需要确保安全，确保无人机在该航线上不会遇到特殊的气流、人为攻击等；其次要确保航拍的效果，要确保拍摄角度比较好，并且拍摄出来的图像符合要求，具有较高的辨识度；第三要确保没有大的障碍，尤其是影响到遥控信号、数据传输信号传输的障碍，确保信号能够顺利传输；最后要尽量选择比较短而又拍摄角度比较广的航线，尽可能地降低成本。

3.4 像控点的选择

像控点的选择直接影响到成图的数学精度，如果选择位置不当，其结果不仅影响内业成图的质量，而且将会对实地观测作业与内业成图工作造成一定困难。无论是平面点、高程点或平高点均要选择在明显目标点上，明显目标点是影像位置可以明确辨认的点。一般地区较理想的明显目标是近于直角而且又近于水平的线状地物的交点和地物拐角上，特别是固定的田角和道路交叉经常作为优先选点的理想目标。

3.5 航线规划

为了使航线规划更准确，使用Altizure 软件进行航线规划，规划完成后自动执行任务飞行。具体步骤为：（1）无人机飞行前，进入APP新建任务。（2）框定目标区域。（3）设置相关参数、保存任务（一般情况下，重叠度设置为80%，相机倾斜角为45°）。（4）开始任务、上传任务。（5）上传任务成功，开始飞行，飞往第一条航线起点，开始第一线路飞行，自动拍照启动，第一条线路飞行完毕，继续任务，到达第2条任务路线起点，随后继续开始飞行，重复以上操作，直到飞完所有线路（5条），任务完成，自动返航。需要注意的是，飞行前确保周围环境安全，只能规划矩形飞行区域。

3.6 软件制作三维模型

利用Pix4Dmapper将无人机拍摄影像快速制作成专业的、精确的二维地图和三维模型。在建模过程中，加入控制点可提高生成模型的精度。通常控制点选取占照片比例的6%左右，在高程变化大的区域更多的控制点可提高高程精度。在图像上刺出控制点，控制点不要做在太靠近测区边缘的位置。

4 实用案例

莲花大道项目高边坡航测。高边坡位于莲花大道YK4+938～YK5+026m段右侧，总长约90m，该边坡按三级放坡开挖，坡高在16.1m～36.6m 之间，放坡坡率在1：0.72～1：0.80 之间；该边坡为岩土质高边坡，地处柳东碎屑岩山区，岩性杂乱，多种岩性共存，浅表覆盖少量残坡积土体，该边坡稳定性较差，高边坡开挖后及时施做锚索框架梁，由于雨季的大量冲刷，使边坡左侧部分土体发生滑移变形现象。利用航测技术及时测出边坡变形情况，并加固了坡脚，及时进行了处理。航测过程如下：（1）首先进行航线规划、生成数字表面模型（DSM）。（2）生成点云三维模型。（3）加密点云三维模型。（4）基于加密点云数据生成边坡三维模型。

5 航测过程遇到的问题及解决方法

5.1 建模效果模糊度过高

原因分析：①无人机拍摄过程出现姿态的失稳。②基于本次大疆精灵4设备的地面站软件设置问题。解决办法：①选择适合飞行的天气，避免光照强度过高的时间段以及大风天气。②地面站软件的设置中，有一项是关于拍摄时间间隔的设置，时间间隔设置大的话，会出现无人机悬停，保证重合度的情况下，有时间稳定姿态。

5.2 内业处理区域大小的选择

原因分析：区域选择不合理，导致部分数据不参与计算。丢失数据解决办法：通过量测此区域的距离，可以看出出现丢失数据的开始到最后，距离为79.67m。后续在区域选择的时候，建议至少将选择区域选择比成果范围大80m（基于45 度角的倾斜摄影标准）。

5.3 生成格式的选取与划分区块的选择

选取适合自己需要的格式：①OSGB 是通用模型格式，但是Smart3D里边划分区块进行处理的，最后的成果不会包含索引文件，导致无法在3D Viewer 全部显示。建议OSGB 的格式不要划分区块，但是对电脑配置要求很高，主要是内存。②S3C的格式为软件自己的格式，能够很好的兼容软件，并且展示出成果。其他格式根据需要自己设定。

5.4 部分区块处理失败

解决办法：右击失败的区块，重新提交任务就好。如果遇见处理失败的情况，建议不要着急重新提交，等整个数据处理完毕，然后再重新提交处理失败的任务。因为本次使用的教学版软件，无法保证软件的稳定性，着急处理失败的区块容易导致后续任务全部处理失败，并且无法继续处理下去。

5.5 航线规划以及去除冗余航线，减少影像数据量

在拍摄的时候，遇到规则的建筑群，合理的规划航线，使无人机成45°角从建筑的斜角进行拍摄，能够省去俯拍的数据，采取合理的角度，不仅能够减少数据量，还能使拍摄相片更清晰，增加建模精度，减少建模时间。采取无人机调查拍摄区域，选择合理的角度进行倾斜摄影，减少模型变形量。

6 结束语

无人机摄影测量技术以无人机为飞行平台，以数字传感器为任务载荷，以获取高分辨率遥感影像为目标，其信息获取准确、及时，能够通过机上搭载的高分辨率数码相机获取区域影像，提供实时、清晰、直观、准确、可靠的影像信息，有效地提高资料时效性、针对性、准确性和科学性。无人机航测技术是目前为止成本较为低廉、测量迅速、测量准确的一种测绘手段，在公路崩滑陡峭地段测量的应用前景十分广阔，可取得良好的效益。不仅能够弥补传统测绘手段的不足，还能够使得测绘手段不断的呈现出信息化测绘特点，从而提高对于公路测绘的效率，促进了无人机测绘系统的不断发展。