无人机低空摄影测量技术在非洲公路设计中的应用

侯振国

（山东港通智汇信息技术有限公司,山东 烟台264000）

随着小型无人机的普及以及数字图像处理软件的进步,低空无人机摄影测量技术得到了飞跃式的发展和爆炸式普及,其机动灵活、经济、便捷、高效等特点在各个领域得到了展现。

本文介绍的KCP 运矿路工程案例位于非洲国家几内亚境内,道路全长57km,参照国内二级公路标准设计。由于线路较长,且要求尽量少穿越软基路段、尽量避开低洼及水网密集区段及不穿越村庄,加上当地交通状况极为落后,可供车辆通行道路较少,这就给设计选线工作提出了极大的挑战。为了在限期内完成道路选线工作,本次采用了在线路初选后,采用低空无人机摄影测量技术辅助现场踏勘,利用生成的正摄影像对线路范围内的地形、地貌辨识,配合实地踏勘完成最终的线路设计。本文探讨总结了低空无人机摄影测量技术在非洲地区同类工程中的应用。

图1 KCP 运矿路设计线路图

表1 大疆精灵4PRO 无人机主要技术参数

1 设备选型

本次采用大疆精灵4PRO 型号无人机,其主要技术参数如表1 所示。

采用此型号无人机原因有三：其一,本次作业区域为中国境外,且无人机属于特殊测量设备,采用较大型号无人机会涉及到海关及技术限制等因素影响,手续较为繁琐,大疆精灵4PRO 型无人机体积较小,属于民用产品,受到限制较少,且携带方便,在搭乘飞机时可以随身携带,不用托运；其二,其他体积较小的无人机要么不具备摄影测量功能,要么无法在中国境外使用。其三,大疆精灵4PRO 无人机单机价格较低,由于无人机炸机风险较高,尤其是在山区地势落差较大和地面植被较为茂密的测区,从经济因素考虑,改型号无人机无疑是最佳选择。

除了无人机以外,还需要一台图形处理工作站及相关图形处理软件,本次使用的软件有CC、Pix4D、ArcGIS 等图像处理软件。

2 工作流程

大致工作流程如下图：

图2 无人机航测工作流程图

由于大部分非洲地区的缺少统一的地理框架数据,能为我所用的数据更是少之又少,依据前期在非洲地区道路施工经验,道路设计方一般首先在第三方软件（谷歌地图或者奥维地图等）公共数据的基础上进行线路初选,然后进行征地和清表,地面清表工作完成之后布设施工控制网,所以在选线期间进行的摄影测量都是无像控摄影测量。进行航拍之前应该先将初步设计线路图形文件进行转换之后导入到摄影测量航线规划底图中,为规划航线所用。

在航拍外业工作完成后,使用专业软件Pix4D 进行拼图,生成正摄影像,然后再利用专业的地理信息软件ArcGIS 进行坐标投影转换,最后提供给设计人员进行内业辨识和筛选需要实地外踏勘区域,踏勘完成后,结合正摄影像图上进行线路优化,优化完成后,提取线性文件,形成最后的设计文件。

3 效率及成分析

本次为了提高外业航拍效率,采用多台无人机协同作业,投入3 台无人机,30 块电池,两台越野车。

图3 KCP 运矿路设计线路优化对比图

线路设计第一段约14km,按照设计要求宽度200m 宽度作业,单机作业累计5 天完成本段外业拍摄。剩余路段再投入3 台飞机作业的前提下,2 周完成了所有外业作业。

通过本次整个设计选线过程对比,采用低空无机摄影测量技术辅助选线,选线工程师外业踏勘工程量相对以前减少了90%。整个57km 的线路,通过内业辨识和确认,设计人员仅需对软基路段和跨河路段进行实地踏勘,其余路线范围均通过正射影像在室内辨识和优化即可,低空无机摄影测量技术的运用为设计工程师在限期内高质量完成选线工作提供了强有力的支撑,也是低空无人机摄影测量技术运用的一个创新。

本次硬件投入成本及主要交通费用统计如下：

表2 设备及主要费用统计表

4 成果对比

5 经验总结

5.1 无人机运输时效性

长途运输有海运和航空运输两条途径,海运从在国内报关、装箱、海上运输再到目的地清关,前后要经历2 个月的时间,显然运输过程太长,时效性不好,因此,航空运输成为了首选。由大疆精灵4PRO 于其体积较小,可以作为随身行李携带。

5.2 需配备足够的电池数量

由于是大面积摄影航拍,需要连续作业,无人机的电池续航时间成为了一个关键的制约因素,解决这一不利因素的唯一办法就是增加电池数量,配备足够的电池数量来满足一天的工作需要,我们按照每台无人机配备10 块电池的配额设计,基本满足航拍需要。

5.3 避免炸机风险

由于飞行区域多为山区,地势起伏变化较快,地面植被多样且高度不一,所以选择合适的起飞点和飞行高度非常重要。建议选择较高的开阔区域起飞,飞行高度要高于区域内最高的地物或树木,一般飞行高度选择在100 米左右（非洲地区一般没有飞行高度限制）。

空中飞鸟也是对无人机安全威胁较大的一个因素,如果无人机飞行高度在60 以下,很容易遭受飞鸟攻击,造成炸机事故。

6 应用前景探索和技术展望

6.1 应用场景

除了前面所说的道路选线方面的应用外,在土石方计算及矿山储量计算方面,无人机摄影测量也有很广阔的前景。现在非洲地区处于矿山开发的高峰期,且都为露天开采,而此类工程所涉及的土石方量计算任务非常巨大,采用传统的数据采集方法耗时长,效率低,采用无人机倾斜摄影测量,对地形数据进行模型重建,生产点云集和三维模型,无论是在经济性和时效性上都会有非常不错的效果。

6.2 对激光雷达相机的呼唤

一般无人机搭载光学相机,由于光学相机的成像原理和特点决定了在地表被植被茂密的区域,即使再漂亮的倾斜摄影测量数据也无法准确获知真实的地表地形数据,这使得另外一种成像方式就呈现在人们的视野中,那就是机载激光雷达相机。但是由于该设备的造价成本太高,对搭载平台有一定的要求,因此普及应用尚需时日,期望随着科技的进步和发展,这种设备也能像现在的无人机一样普及到我们的日常工作和生活中。

随着科技的发展,跨领域融合应用变得越来越普遍,行业的界限也越来越模糊,先进的技术只有不断的把它创新应用到实际生产中,才能发挥出更大的效用,更好的服务于我们的生活。