无人机测绘成果在公路测量中的应用分析

董康强、詹德胜、靳自强、陈然

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.四川西南交大铁路发展股份有限公司，四川 成都 610091；3.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000；4.成都市工程职业技术学校，四川 成都 610306）

0 引言

公路测量是确保公路建设及管护运营质量和安全的重要环节。公路工程大多存在环境复杂、地段偏僻的情况，其测量工作多受制于地理条件、环境因素。传统的人工测量方法存在工作周期长、劳动强度大、数据易差错等问题，而无人机测绘技术的出现为公路测量带来革命性的变化。无人机测绘具有高效、灵活、精确和安全的特点，在探测和测绘领域开发潜力大，尤其是在地形测量上具有多样化的测量工作优势，能为公路建设和管理创新及进步提供前所未有的数据服务。

1 无人机测绘技术的特点

第一，无人机测绘技术相比传统的地面测量方式，具有高效的特点。其对空间环境要求不高，可以实现低空飞行，受气候环境影响较小，且能快速飞行并自动化地获取大量的影像数据，在获取航拍影像时可不考虑飞行环境的影响，大大提高测绘工作效率。同时，无人机可以覆盖大范围的区域，减少人力资源和时间成本。第二，无人机测绘技术具有较高的灵活性。通过调整无人机的飞行高度、路径和姿态等参数，可以适应不同地形条件的测量需求。无人机可以进入传统测量难以到达的区域，如复杂地形、悬崖峭壁等，能切实解决人工无法勘测或测量的环境问题，实现全面的测量覆盖。第三，无人机测绘技术可以实现较高的测量精度。搭载在无人机上的测量设备和传感器具备较高的精度，能够获取高分辨率的影像或点云数据。同时，通过精确的飞行控制和姿态稳定技术，可以减小飞行姿态对测量结果的影响，提高测量的精确性。

2 无人机测绘中数据处理技术

2.1 数字正射影像图（DOM）

数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）是无人机测绘中常用的数据处理技术之一。它是通过对航拍获取的影像进行处理，将影像纠正为与地面垂直的正射影像。数字正射影像图是一种具有地理坐标、比例尺和地面垂直性的影像产品。通过去除航拍影像中的地形变形和相机姿态效应，将影像元投影到地面平面上，使影像中的地物保持其真实的形状和比例关系。相比于传统的航空影像，DOM 具有更高的几何精度和图像一致性[1]。

生成数字正射影像图的处理主要有以下几个步骤：一是对航拍获取的影像进行相对定向和绝对定向，获取影像的外方位元素和内方位元素，确定每个像素点的摄影测量坐标。二是根据航拍获取的影像和摄影测量坐标，利用数字影像处理软件进行三角剖分和地形点云插值，生成数字高程模型，记录地面高程信息。三是通过将数字高程模型和影像数据进行匹配，校正影像的几何形状，消除地形变形和相机姿态效应，得到地面垂直的正射影像。四是对正射影像进行色彩校正，使其具有真实的颜色和色调。如果需要融合多个航拍影像，可以进行影像融合处理，提高影像的一致性和覆盖范围。

2.2 数字高程模型

数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是无人机测绘中常用的一种数据处理技术。它是通过采集、处理和分析无人机获取的地面数据，生成地形表面的数值表示。数字高程模型在数据处理中，先由无人机通过激光雷达或摄影测量设备获取地面的三维点云数据，包含地面上的建筑物、植被和地形等特征，对采集到的点云数据进行滤波和去噪处理，以去除不必要的干扰点和误差。然后，通过插值算法对点云数据进行处理，生成均匀的高程格网。插值算法主要是根据点云数据的密度和分布情况，推算出缺失区域的高程数值，从而构建出完整的高程模型。常用的插值算法有反距离加权法、三角网剖分法和克里金插值法等。生成高程模型后，还需要进行后续的数据处理和分析。一种常见的处理方法是地形特征提取，根据高程模型的数据提取出地形的特征信息，如山脊、河流和坡度等。这些信息可以用于地质勘查、土地利用规划和自然灾害分析等领域。

2.3 数字地面模型

无人机测绘技术在公路测量中的应用越来越广泛，其中数据处理技术中的数字地面模型（Digital Surface Model，简称DSM）在该领域起着重要的作用。数字地面模型是无人机测绘中常用的一种数据处理技术，它是通过采集、处理和分析无人机获取的地面数据，生成地表特征的数值表示。数字地面模型不仅包括地面的表面高程信息，还包括地物（如建筑物、树木等）的高程信息。

在公路测量中，数字地面模型可以提供以下方面的应用。首先，它可以提供精确的地形信息，帮助确定公路的纵断面和横断面设计。通过对数字地面模型进行分析和测量，可以获取公路沿线的地面高程、坡度、曲率等参数，进而优化公路设计，提高公路的安全性和通行效率。其次，数字地面模型还可以用于公路工程施工前的地形分析和规划。通过对数字地面模型进行可视化分析，可以识别出公路工程中的地形障碍物、土地利用现状等信息，有助于确定最佳的公路线路和施工方案。

3 无人机测绘成果在公路测量中的应用

3.1 量测与测量

无人机测绘技术在公路测量中的应用主要包括量测和测量。通过搭载高精度的测量设备，无人机可以快速、准确地进行公路相关的测量工作。首先，无人机测绘技术可以用于公路的长度测量。通过全球定位系统（GPS）等定位设备，无人机能够实时获取其位置信息，从而可以测量公路的长度。无人机可以沿着公路路径飞行，通过获取坐标点并计算距离，得到公路的长度数据，为工程规划和设计提供准确的参考。其次，无人机测绘还可以进行公路的宽度测量。无人机通过搭载激光测距仪等测距设备，能够实时测量公路的宽度。在飞行过程中能利用激光束测量公路两侧的距离，从而确定公路的宽度。再次，无人机测绘技术还可以用于测量地面标志和交通设施。通过高分辨率的相机设备，无人机可以准确捕捉道路标线的位置和长度，这有助于检查道路标线的合规性和清晰度，确保交通安全。最后，可以利用无人机测量交通信号灯的安装高度和角度，确保信号灯的正确设置和可见性，提高交通流畅性。

3.2 环境评估与土地利用规划

环境评估与土地利用规划是无人机测绘在公路测量中的重要应用领域之一。无人机测绘技术提供了高分辨率的航空影像和地面模型，为环境评估和土地利用规划提供了丰富的地理数据和信息。利用无人机能够捕捉公路周边的植被分布、水域分布和自然景观等重要环境要素，进而获取航空影像数据，其所获得的影像具有高分辨率的特点，能清晰显示不同类型的植被覆盖和水域分布情况，有助于分析公路对周边生态环境的影响。例如，利用无人机测绘成果评估公路建设对植被破坏的程度，监测公路沿线植被的变化，甚至进行植被生态功能评估。此外，通过分析水域分布情况，可以评估公路建设对水资源的影响，为水资源管理和保护提供数据支持。

3.3 施工监测与质量控制

无人机测绘可以提供实时的施工监测和质量控制信息。通过定期采集无人机测绘数据，可以对公路施工现场进行测量和监测。无人机搭载的相机和传感器可以获取施工现场的高分辨率影像和地面数据。通过与设计数据进行对比，可以及时发现和定位施工过程中的偏差和错误，提高施工的精度和效率。此外，无人机还可以进行质量检查，例如检测路面平整度、标线位置等，确保公路的质量符合设计要求。无人机测绘技术能够覆盖广阔的施工区域，提供全面的视角和数据支持，有助于监控施工进度和质量，减少人工巡检的工作量，提高施工管理效率[2]。

3.4 现场安全监测

无人机测绘还可以用于公路施工现场的安全监测。首先，无人机可以用于检测施工区域的安全隐患，其搭载高分辨率的相机和传感器，可以对施工现场进行全面的视觉监测，捕捉到施工现场的实时影像和视频，并通过图像分析和算法判断是否存在安全隐患。例如，利用无人机监测施工现场的土质稳定性，及时发现土坡塌方、边坡滑坡等地质灾害风险。此外，还能检测施工现场的临时支撑结构、脚手架、围挡等是否牢固可靠，提前发现施工过程中的安全问题。其次，无人机可以用于监测施工现场周边的交通状况。公路施工常常伴随着交通管制和道路封闭，对交通安全提出了严格要求。通过无人机的航拍，可以实时监测施工现场周边道路的交通流量、交通堵塞情况和交通安全措施的有效性。如果发现交通安全措施不到位或存在交通堵塞等问题，可以及时采取措施解决，确保施工现场和周边道路的交通安全。

4 应用案例分析

在某段公路应用无人机进行实地测量，经上述过程数据处理后得到图1 所示激光点云模型。

图1 激光点云模型

无人机在1∶500 比例尺、地形测量精度为5cm，同一区域同比例尺条件下GPS-RTK 进行测量复核，部分特征点两者测量高程如下表1，同一特征点两者测量高程对比均小于5cm，满足精度要求。

表1 无人机与RTK 测量地形特征点高程对比表

将无人机和RTK 采集的数据进行数据处理，应用方格网法测算土方，设计高程假定30m，计算过程如图2、图3 所示，无人机与RTK 测算土方量对比如表2所示。

表2 无人机与RTK 测算土方量对比表

图2 无人机测算土方量

图3 RTK 测算土方量

该公路随机抽取面积为337.6m2范围进行试验，按照设计高程30m 开挖，无人机测算土方量为3667.6m3，RTK 测算土方量为3623.8m3，两者相差43.8m3，差值较小，可忽略不计。综上所述，在1∶500比例尺条件下，土石方工程量计算可以使用无人机测图替代传统GPS-RTK 测图，且无人机测图工作效率更高，节约更多的成本，不足之处是无人机无法代替RTK 进行构筑物放样。

5 结语

无人机测绘技术成果在公路测量中的应用为公路建设和管理带来巨大的优势。通过快速获取高精度的地理数据，无人机测绘技术提高了测量的效率和准确性，为公路规划、设计、施工和维护提供了可靠的基础数据。随着无人机技术的不断创新和发展，无人机测绘在公路测量中的应用前景更加广阔。未来，可以预见无人机测绘技术将进一步提高测量的精度和效率，推动测绘数据的自动化处理和分析，实现更高程度的智能化。同时，无人机测绘技术将与其他技术领域相结合，如人工智能、大数据分析等，为公路建设和管理提供更多创新和解决方案。相信无人机测绘在公路测量中的应用将继续拓展，为公路建设的可持续发展作出更大贡献。