无人机在公路边坡巡检中的应用

1绪论

1.1研究背景

人类科学技术的发展以及社会经济效益的不断提升，进而产生了无人机低空摄影测量

技术，随着其技术的改进以及日益精炼，无人机测绘在世界上得到了越来越广泛的运用。

目前，国内外已有大量学者与专家对于无人机低空摄影测量技术展开深入调查与研究并获

得大量成功经验及成果。其中，在低空影像获取方法、影像处理、三维建模等方面的成果

尤为突出。澳大利亚研究人员已经成功利用SAB进行海洋监测研究，美国相关人员已经成

功将无人机低空摄影测量技术与其他相关技术结合并应用到了森林火灾检测和农业等方

面。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

对于无人机的低空航拍测量技术的相关研究中，针对获得影像以及制作过程中的探

索，世界各国的专业研究人员为此付出很多心血，具体有如以下阐述：

2003年，李和军和王磊等研究者在一定的区域内展开了低空摄影测量试验，得出结论

是具体的影像生成工艺，从外业控制点的布设到空三加密再到精度评价，为低空摄影测量

的应用和发展奠定了定的基础川。

2006年张建霞、王留召等人利用非量测型的数码相机拍摄的数字影像实现了低空摄影

测量的理论与方法，介绍了相机的检校和精度评价方法并利用VimioZo系统对影像进行处

理⑵。

2011年，张敏以及贾建华等研究者进行了无人机影像试验，此次试验的区域范围较广,

对于DEM分辨率的尺寸区间的解析采取的是检查点法，接着进行实证，经过对栅格尺寸

的设定，同时加上内插中误差的比例对于影像数据精准度进行估算，最后获取了无人机低

空影像最佳的分辨率大小的数字高程模型网。

2()15年葛洪涛进行了无人机低空摄影处理实验，具体探索了影像处理而对的难题，同

时制定出完善的解决方案对影像处理流程进行了改善⑷。

2017年徐辉、胡勇等人总结出无人机低空摄影测量进行大比例尺地形图测量的作业流

程，研究了对影响空三加密的精度的像片控制点布设方案，提出了像片控制点布设原则，

为无人机低空堤影测量在地形图测量中的应用提供参考价值⑸。

无人机在公路边坡巡检中的应用

2010年高姣姣等人通过对无人机技术的运用，推进了无人机地质灾害调查的研究，采

取无人机影像识别以及解释和翻译了地质灾难的特征以及对人们造成的威胁，为治理地质

灾害提供数据支持，为预防地质灾害工作提供相应的技术⑹。

2011年朝文权等人详细研究了无人机系统的组成、数据获取和处理过程，分析了无人

机在地质灾害检测、应急救援和灾情评估工作中可提供的的运用，将无人机应用在了重庆

市武隆县鸡尾山特大型滑坡救援的实例中⑺。

2016年刘军等人采取低空无人机获取公路边坡影像形成了边坡体稠密三维点云，完成

了边坡体的3D数字模型制作，直观，全面地展示了边坡完整形状与局部特点，能够正确

对边坡稳定性评价，并由科学数据的支持⑻。

2017年管建军等人研究对象选取了黄土地区赵家沟泥石流，采取无人机技术生成了灾

区的3D模型、DOM和DEM,针对研究结果做了说明并收集到不良地质现象等信息⑼。

从保障安全的角度出发，需要对于公路边坡的保养相关资料进行获取、整合以及存档,

由此可知研发出公路边坡巡检管理信息系统，并旦实现其更好的运用是十分关键的。如今

我国的公路边坡管理系统已经拥有应用到工程中的实例，广东省高速公路有限公司、中铁

二院工程集团与西南交通大学使用了C#、数据库等技术完成开发的“京珠高速粤北段路堑

高边坡养护管理信息系统”。此系统的创建提供了高边坡的养护管理数据库，进而能够利

用其对高速公路的高边坡情况结合各因素展开分析。该养护管理系统使用后，对高边坡的

稳定状况判定准确率达到100%,同时对高边坡养护信息的提取与决策周期缩短了一半“3.

1.2.2国外研究现状

在国外，2001年波兰学者HungSonNguyen等人对无人机低空影像进行处理并提取了

相关信息，评价了无人机影像的精度，探讨了根据无人机低空影像建立公路道路裂缝自动

识别系统的可能性”L

2007年XHan等人对无人机原始影像进行几何校正，再根据两幅影像的重叠区域探索

出一种无人机影像匹配、拼接的技术方法”21。

2010年比利时学者KoenDouterloigne等人对无人机影像处理做过详细研究，利用无人

机影像上控制点维坐标通过光束法平差方法计算出特征点的三维坐标，再与实地测量获取

的地物特征点的三维坐标进行对比，从X、Y、Z坐标方向上比较它们的精度山】。

2014年意人利学者FrancescoNex等人从地质灾害调查、监测、测绘和三维建模的角

度出发，对无人机低空影像的获取，处理方法进行了分析，总结出了无人机低空摄影测量

2

的应用现状，有对不同的案例进行了分析

综上所述，很多的研究专家研究和探索无人机低空摄影测量技术上取得了一定的进

展，从而使得此技术可以更好的在勘测地质灾害、边坡的3D模型建造等领域的运用，他

们主要是针对于获得、处理无人机影像以及影响的运用这3个部分展开的，然而尽管如此,

在公路边坡巡检的无人机技术运用的相关探索和研究还是相对匮乏。

因此，无人机低空摄影测量技术在地质、海洋、农业等方面的研究已经相对成熟，但

其在公路边坡巡检方面的研究与应用还有所欠缺。

1.3研究内容

1.3.1无人机低空摄影测量公路边坡整体巡检和精细巡检方案设计

公路边坡巡检工作内容主要是：查明公路边坡病害隐患点的类型、分布、形态和规模、

表面特征、变形破坏特征、诱发因素和形成条件；对公路边坡病害进行初步评估，分析其

稳定安全性、发展趋势以及发生灾害后可能的成灾范围；最后提出处治措施建议。通过收

集边坡基本资料，现场复核边坡基础信息，获取原始缺陷资料及病害资料，从而掌握边坡

现状。

巡检指的是全方位的勘察公路边坡的具体情况，实际的掌握边坡护养构架的现状及其

相关实用程度。在以往采取人力进行巡检的过程中，通常是通过视觉，撞击反馈以及触感

等方法，上述的3者中利用视觉为最主要的巡检方式。针对视觉巡检的内容主要有：

（1）边坡环境的检查

①坡面：地面开裂、鼓胀、局部沉陷；土体渗水、涌水；植被生长异常；岩土体挤出、

滑落等。

②坡顶：建（构）筑物开裂、变形；管线破损、渗水、漏水、植被往坡面倾覆、超载等。

③坡脚：渗水、涌水、突兀、裂缝、风化、膨胀等。

（2）防护结构工程的检查

①挡墙墙体：墙体表面湿润、出水、外部装修脱落；墙体产生缝隙；墙体表面产生形

变、膨胀、裸露钢筋，水泥沙松动、泥块风干等。

②变形缝：在其两边的保护构造出现不正常水平或垂直错动；变形缝内填充杂物等。

③挡墙排水孔：排水孔不排水、堵塞等。

④抗滑桩（排桩）或肋柱：桩体发生形变、损坏；铁锈腐蚀外部的钢筋结构、防护面裂

开等。

2无人机公路边坡巡检概述

2.1无人机摄影测量概述

人类能够充分利用日益成熟的遥感与摄影测量技术，从而能够通过低、高空甚至外层

空间的传感器，进行对地球表面特征的数据收集。经过对所有研究目标的物理特点以及资

料的获取，能够展开对于其空间特性、形态、方位、跟外部条件的关联等方面的研究。1990

年以后，无人机低空摄影测量系统成为一项发展发展趋势迅猛的摄影测量技术，它为高分

辨率无人机影像数据的获取提供了一种新的控制平台。近些年来，无人机技术在国家的大

力支持和推动下得到迅速发展，其应用领域也变得更广泛。

无人机(UnmannedAerialVehicleUAV)就是指没有飞行员驾驶的飞机1⑸。即它是采

取无线电波来进行远程操纵的方式，不需要飞行员坐在飞机内驾驶飞机。无人机的出现时

间可以追述到第一次世界大战期间，在战场进行侦察监视是无人机最早的应用。20世纪

50-60年代，美国与苏联冷战期间，无人机技术得到了显著的发展，以美国为首的北约集

团和以苏联为首的华约集团都在无人机领域花费了大量的人资、物资，进行大量与无人机

相关的研究，这些研究成果用来对对方的军事目标进行侦察到了20世纪90年代，由

于计算机相关技术得到了快速的发展以及人们对于GPS(全球定位系统)出现的研究，无

人机发展达到了另一个顶峰，无人机技术进入了一个全新的繁荣时期。海湾战争期间，美

国军队在这次实战当中投入了大量的无人机，并取得了的巨大作用，世界各国被深深的震

撼到了，都开始加大了对无人机的开发应用与研制工作。此外，无人机已经迅速应用在了

民用和科研领域中，这是因为无人机具有较为低的仪器损耗、较为低廉的成本、可多次重

复使用、零伤亡的特点，同时还具有比较高的机动灵活特性。20世纪50年代后期，我国

开始认识到无人机对于工业、农业以及经济等方面的重要性，也开始重视无人机以及相关

技术，展开了对无人机相关研究和应用，我国对于无人机的研究应用具有起步比较晚、基

础比较薄弱、但是起点水平较高、发展后劲足的这些特点首先是以高等学校为研究的

基础单位，相应的建立了一些与无人机相关的开发设计与研究机构，这些机构主要是面向

一些科研与军队，满足他们的需求。在改革开放之后，借助一些民间资金以及民营企业的

进入，无人机开始进入许多民用领域，为国民经济发展和建设提供更好的服务°

无人机可以不受到时间的限制对各种小型的对地观测仪器进行装载，在任意位置的上

空进行飞行，是一个可以对地观测技术应用的飞行平台［网。由于是对地观测应用中最为普

无人机在公路边坡巡检中的应用

遍、最为便捷的一种平台，在全世界内无人机航空遥感技术都有着十分广泛的应用。根据

相关资料显示，当今全球上至少有三十多个国家和地区开发出五十余款不同的无人机，各

种无人机的型号数量不少于三百，并且至少有五十五个国家在各种军事和民用方面拥有了

无人机装备［⑶。无人机驾驶的程序控制装置有着三种飞行方式:它们分别是人工手动操纵、

半自动飞行以及全自动控制飞行3%摄影测量设备装备在无人机上，以获得地面数字影像

数据，之后便可以从这些从数字影像中获取相关数据信息、。

相较于传统的航空摄影测量而言，无人机的低空测量的特点是可以迅速取得数字影像

□I不仅如此，无人机的低空遥感还能实时获取高分辨率数字影像。这给公共环境监测、

建设3D数字智慧城市、自然灾害监测与预防、地理国情信息普查和应急指挥抢险工作等

方面，提供了一种全新的技术支持与保障。无人机低空测量所具有的优点可以归纳为124-26］：

（1）费用成本更加低廉；（2）可以更加快速便捷地获取相关影像数据；（3）影像分辨

率较高、影像具有多个视仙（角度）：（4）具有良好的机动性、便捷性、足活性以及安

全性；（5）可以实时获取相关影像数据。

无人机低空摄影测量影像在相比于通过卫星，航空等手段进行获取影像的方式而言，

其自身也有着许多的优势，像获取影像高清、像幅细致、经济与即时等。对于勘测土地资

源的使用率，应对灾情与数据化技术研发等相关领域，无人机低空摄影测量都有相应的涉

及与发展。无人机没有严苛的场景要求，譬如市区空旷地皆能够成为其起降点，加上其能

够实现快速升空，具备简便的操作和低成木运作等特点，非常符合应用于具有复杂地段、

多山丘、多云以及高层建设密度大等区域。所以说，无人机不仅具备非常高灵敏度与机动

性，同时其也具备相当高的安全性，因为其可以工作在不利于人类安全的危险环境之中，

像火山勘察或火灾影像获取等，就算是无人机工作异常也不会造成人员伤亡。无人机上装

有的数码成像仪器，这种仪器的相当精确，其不仅能够做到垂直摄像，同时也可以在低空

飞行时全方位摄像，进而能够对物体多角度的纹理影像进行采集，从而能够补充了卫星或

者一般航拍在低空拍摄方面的不足。无人机在拍摄时所收集的影像能达到dm程度的分辨

率，收集到的影像能够应用于3D景图创作或者地球表面数字模型建设。对于UAV系统及

传感器来说，其相应的投入的成本跟别的遥感系统是不同等级的，通常企业或个人应具备

承担能力。对于后期数据处理环节，其运作仪器选用高档微机便足以，因其成本与器械要

求相对低，无须匹配高精确度的扫描以及数据处理仪器。

无人机低空摄影测量具备以上的优势，然而其也存在这明显的缺点:

（1）基高比小、像幅较小、影像数量众多且重叠度高；

6

（2）无人机姿态稳定性不强、旋偏角偏大；

（3）业余级别量测型相机，影像的畸变情况比较严重。

无人机低空摄影测量影像也有着诸多缺点，譬如成像幅度不大、基高比不大，对于同

种重叠度的场景中，要求控制点的数量多；其具备的姿态稳定程度低，旋偏角、俯仰、滚

动，以及相应的造成链接故障；采取的拍摄工具并不专业，造成在像点位移、镜头以及光

敏度等方面都有着一定的误差。

因此，依据上述关于低空摄影测量的特点，在获取影像数据与处理影像数据方面，都

需要有相对应的对应措施来加以解决。

无人机有着众多不同的类型，所以无人机划分的方式分类也是多种多样的，最常用的

种类划分方式主要为按照动力系统、活动半径、任务高度、外形结构、用途这3个方面来

区分【35-36）：

（1）动力系统划分

依据不同的无人机动力系统，如今无人机包含了2个类别，其一是电动无人机，其二

是油动无人机。这两者分别是使用电池（例如：锂电池）和油气来作为动力驱动，他们有

着各自的优缺点，续航时间比较长是油动无人机的一大优点，安全问题上存在一些隐患是

油动无人机的一大缺点，在一些特殊的情况下，一旦出现故障发生坠机，就十分容易引起

火灾危险；安全性保障性较好则是电动无人机的优点所在，但是电动无人机的缺点便是其

续航能力比较弱，连续工作时间较短。

（2）活动范围划分

依据活动范围划分，无人机的种类包含了近程、中程以及远程无人机。对于近程无人

机来说，其飞行范围在五十千米以内，对于中程无人机来说，其飞行范围在五十至两百千

米这个区间内，对于远程无人机来说，其飞行范围贝!大于两百千米。

（3）外形结构划分

依照外观形态的不同进行区分，无人机包含了以下这3种：固定翼、多旋翼无人机以

及无人直升机。多旋翼无人机，它是借助转动螺旋桨从而达到驱动的目的。根据螺旋桨叶

的多少，则能够更加详细地区别出4旋翼、6旋翼以及8旋翼无人机等。

在一般条件下，无人机螺旋桨的数量越多，飞行的时候就会更加平稳，对无人机操作

起来也会更便捷。由于多旋翼无人机具有操作简单便捷、拍摄质量稳定以及对场地限制要

求较低等这些优点，被大众所喜爱与青睐。图2-1为常见的四旋翼无人机。

无人机在公路边坡巡检中的应用

图2T四旋翼无人机

（4）按用途划分

根据无人机的使用渠道的不同来区分，无人机的种类包含了军用级别、民用级别以及

专业级别无人机。对于军用级别无人机来说，它是一种能够在实际作战中进行目标侦查、

搜查信息、实施定点打击的高新技术武器；民用级无人机是大众在日常生活中最熟悉同时

也是接触最多的一款无人机，民用级别无人机以旋翼机为主，它具有体积比较小，轻巧方

便易携带的这些优点，但是由于体积小，电池容量也较小，因此在续航能力上表现相对一

般，此外在拍摄精度与拍摄清晰度方面也很一般，民用级别无人机通常用于娱乐以及业余

航拍作业；专业级无人机是用来满足各行各业中对于专业无人机的需求，专业级别无人机

具有强大的续航能力、良好的拍摄精度、巨大的容量存储空间的特点。

地面保障系统、无人飞行器平台、地面监控系统、传感器系统、飞控系统等这5者是

无人飞行器的系统。其中，对于飞行平台来说，由通信系统、无人机、维护系统这3者共

同组成。对于传感器系统来说，其是由定点摄影技术、旋偏改正云端、精准标定校检以及

微型数码摄影设备等这4这组成。对于飞控系统来说，其包含了气压计、高度计、磁航向

仪、小型惯性测量单元、机载全球定位系统等。对于无人机的空中构成来说，其包含了无

人机、空中自控系统以及传感器系统；对于地面监控系统来说，包含了数据接收、航线规

划以及地面控制系统。在地面控制系统中，监测与控制操作者设定好了航线、无人机参数

等，无人机的空中部分再根据地面控制系统的指令执行航飞任务。对于收集到的相关数据,

通过无线传输通道，与地面控制系统进行实时数据对接，对于收到的数据，地面的监控工

作者能够调整飞行航线或让无人机继续执行指令。飞行状态可以实现自动与手动控制的相

互切换，可以适用于补拍具有拍摄缺陷的区域或者紧急降落的情况。

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对于小面积区域或者是应对紧急状况的勘察，贝!可以选择低空无人机摄影测量技术，

其特点是以无人驾驶飞机为飞行平台，利用各种类型传感器来获取地面的信息，使用计算

机图形图像技术对获取的图像进行处理，为各种类型的摄影测量立用提供基础数据。

伴随着数字、雷达、光电等相关领域技术的迅猛发展，无人机发展也日渐改进，具有

小型化、实时化、高分辨率、远距离、宽收容的发展趋势，能够很大程度改善无人机的性,

包括其勘察的范围会不断增大，更加的灵敏以及拥有较高的分辨率，同时构造将会变得越

发轻巧。无人飞行器低空摄影测量一般用于中小范隹内的调查，适合重点地区的应急监测

和重复监测，己成为影像信息获取的重要手段。

2.2无人机航拍影响因素

2.2.1天气影响飞行任务

阴雨天气进行航飞作业的过程中，会出现因为能见度不高而导致影像不清晰以及分辨

率低等现象；再者，无人机自身便会受到阴雨天气的干扰，其在雨天进行作业容易出现故

障。同时无人机还容易受到狂风的干扰，由于强风的干扰会导致无人机航拍的影像出现不

同程度的畸变，导致后期影像处理比较困难。本文选用的是大疆Phantom4pr。系列无人机,

根据官方报告这款无人机的抗风能力是5级。在无人机进行航拍任务前可使用风速计测试

风速后再进行航拍。

2.2.2地形影响飞行任务

当拍摄区位于丘陵、山地、高原等地形时，在区域航线规划将面临一定的困难，若将

飞行高度定的太高，导致获取的影像分辨率不能满足要求，若将飞行高度定的太低，一方

面容易造成无人机撞击坠毁，另一方面导致航片的重叠度不够，飞行效率大打折扣。在地

形起伏较大的山区时，寻找合适的起降场地有一定困难。在明确了摄影设备的配置以及飞

行参数，伴随着海拔高度的下降，进而也造成了地面像素分辨率的下降。山区地形复杂，

给飞机的监控带来很大不便。

2.2.3电池容量影响飞行任务

本文选用的大疆Phantom4pro系列无人机的电池续航最多30分钟，在遇到大型公路边

坡需要进行整体巡检和精细巡检时，一块电池不足以完成飞行任务，因此需要购买额外的

无人机电池保证续航。若在无人机航拍过程中电量过低，地面控制站会收到低电量通知，

无人机会立即返航中断航拍任务，这就影响了航拍的效率。一般的解决方法是准备数量充

无人机在公路边坡巡检中的应用

足的无人机电池，在进行整体巡检结束后及时更换电池再进行精细巡检，这样可以很大程

度避免出现低电量的问题C

2.2.4禁飞区影响飞行任务

根据国家颁布的关于无人机管理办法中有明确规定，在机场的附近形成了禁飞区、限飞区等区域。

在未经有关部门审批的情况下，这些区域内无人机不得进行作业，否则将承担法律责任，因此禁飞区、

限飞区也会对飞行任务造成•定的影响。

2.3公路边坡巡检目的

中国的地貌相对复杂，随着建造公路工程技术的迅猛发展与改革，公路边坡的建造缺

陷日渐明显，其引发灾害的次数不断增加，这对于运营公路来说是非常不利的。所以，针

对性的加强边坡的检查是十分有必要的，能够有效的降低甚至杜绝产生公路边坡灾难。如

今的巡检是采取人力进行的，通常是通过视觉，撞击反馈以及触感等方法，由于公路边坡

具有非常艰难的地理条件，所以导致工作者在检查高边坡或者山路边坡等将变得极不安

全，或者可能会出现在检测完部分地区之后收集的数据与实地不符合的状况。人力检查公

路边坡的束缚因素太多，进而使得某些地区的微型问题到最后变为特别重大的灾害类似滑

坡，崩陷等，很大程度上不利于维护交通的安全以及社会的发展。

如今，我国具有相对完善的公路边坡巡检制度，伴随科学的进步以及技术的飞快发展,

研发及运用边坡巡检养护信息管理系统软件能够很好的保障了高效率的工作，这些数据化

智能程序的研发也将促进边坡巡检的改革，其中，无人机低空摄影测量技术在其发展过程

中将占据着不可替代的地位。

采用无人飞行器作为平台，利用分辨率高的数码拍摄设备，结合遥感技术、地理信息

系统和全球定位系统等采集小范围，高保真，大比例尺以及真实的航测遥感数据，这便是

无人机低空摄影测量技术C其能够迅速采集以及处置基本地理数据，获得的相关数据应运

用正射影像的创作、地面模型或研究地区的测绘等方面，保障能够实现靠谱、客观、简洁

的效果。

因此，利用无人机低空摄影测量技术进行公路边坡巡检相对传统人工公路边坡巡检具

有快速、方便、成本低、安全等优势。将其在公路边坡巡检领域广泛应用能够有效提高效

率，减少成本，降低公路边坡事故的发生概率，对公路边坡灾害的预防与治理，公路的正

常运营有着重大的意义。

2.4公路边坡巡检任务

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对于无人机低空拍摄公路边坡的计划方案展开了探索，从而制定出2种方案，分别是

无人机边坡精细巡检以及整体巡检。

无人机边坡巡检影像的后期制作，其包括正射影像的形成，畸变的修整、空三加密、

以及3D地形形成等内容。

对于公路边坡是否安全的断定须基于评价边坡整体以及精细巡检的结果为准。

对于是否准确的断定须基于人力复核无人机边坡巡检成果为准。

经过无人机低空摄影测量技术在现实巡检中的工作采集结果，其应用于巡检中获得相

应的验证，前景十分可观，文章的相关结果目的在于针对如今的公路边坡巡检作业发挥实

际的参考意义。

无人机在公路边坡巡检中的应用

3无人机影像处理原理

3.1无人机影像的系统误差预改正

对于低空影像的后期制作过程中，其中的2个重要环节便是影像的畸变改正以及空中

三角测量。无人机在进行航拍的时候使用的相机是非量测型数码相机，其像片存在边缘畸

变，由于系统误差的传递和积累，对影像成果有着明显的影响，所以需对其进行畸变差校

正后才能进行空中三角测量计算。无人机影像的畸变纠正的误差属于系统误差，其中包括

了相机的畸变差、大气折光修正以及地球曲率修正。

(1)物镜畸变差指的是对称以及非对称畸变。通常仅对对称畸变进行修正，其能够运用

如下的多项式来进行改正：

24

x=X+Ar=X-x2+k[r+k2r)

4

>2=y+Ax=y-y2(%+W+k2r)

(3-1)

式3-1中：r为像主点为极点的向径；Ar,△)，是像点坐标畸变差改正数;

X,,y是像点坐标；x2,乃是经过畸变差改正后的像点坐标；《是物镜畸变差改正数，由

相机检定时获得，i=0,1,2o

(2)在物镜畸变差改正之后进行大气折光误差改正，辐射方向的改正为：

/。、

Ar广

A/=-If+—川•々(3-2)

r=2

式3-2中，VV+?2是像底点为极点的向径；f是相机主距；。是折光差角；。可

以由地面上和高度为H处的大气折射率计算得来。大气折光引起的像点误差随着像点的辐

射距离变大而变大，因此大气折光差引起的像点坐标改正值公式为：

(3-3)

式3-3中：々，内是大气折光改正以前的像点坐标。

(3)以上系统误差都己经造成了物象间的中心投影关联被损坏，对于地球曲率干扰来

说，其是包含在不一样的投影变换造成差异的因素之内。人地水准面是一个椭球面。而地

12

图投影采用的地面坐标系是以平面作为水准面的，当航拍范围较大时，这种差异就会影响

到空三加密的成果精度，因此须要展开修正工作。

由于地球曲率造成的像点坐标在辐射方向的修正是：

3

bS=---H---r

2Rf2(3-4)

公式3-4中，r是以像底店为极点的向径，xJd.H是摄站点航高；R是地球

的曲率半径。像点坐标的地球曲率改正值为：

§_j_x2Hr-

x~~~2fR

r2于口(3-5)

式3-5中：斗，凹是地球曲率改正前的像点坐标。

经过物镜畸变差改正、大气折光改正和地球曲率改正后的像点坐标为：

x=X+Ax+公+R.

)，=y+△)，+△)，+4(36)

式中：x,y是经各项误差改正后的像点坐标值；y是像点坐标的量测值；机,

△)'是像点坐标畸变差改正数；dx,dy是由于大气折光造成的像点坐标改正值；瓦，4•是

由于地球曲率造成的像点坐标改正值。

在影像像点坐标的主要系统误差进行预改正后，即可利用像点坐标(x,y)进行后续的

空三加密处理。在航拍范围很小的情况下，通常仅修正拍摄设备的物镜畸变差°

3.2空中三角测量

空中三角测量能够保障了在区域测算缺乏野外控制点的情况下得以拥有定向控制点，

其指的是在进行立体摄影测量的过程，在室内对于数量较小的野外操控点展开加密的环

节，对于加密点的高程以及平面位置进行获取的测量方案。空中三角测量包含了模拟空中

三角测量以及解析空中三角测量这2种方式。对于前者来说，其是利用全能型立体测量设

备譬如多倍仪展开的测量c这种方式对于拍摄相对于的航行线路的复原为3D模型过程须

在仪器上操作，对于加密点的选择应按照测图的需求进行，同时对其高程和平面位置进行

测算。

对于航空摄影测量的过程，需要选取影像中具备的特点，位于室内展开对控制点加密

无人机在公路边坡巡检中的应用

的方式。简而言之，便是通过持续拍摄的部分重合的航摄影像，按照数量不多的野外控制

点，采取摄影测算的方法基于实际区域的航行线路为准建造相似的航线模型或区域网模

型，进而能够得到高程以及平面坐标。

空中三角测量可以保障了目标地形图具备定向的控制点以及相应的参数，对于大面积

区域的界址点以及单位模型的地面点的坐标展开测定，探索与分析了近景摄影以及非地形

拍摄测算。其具有一定的实际意义，包括通过远程手段便能够测量以及判断目标区域的位

置和形态；能够在同一时间展开大面积的极速定位测量，大大降低了野外测算的作业难度;

摆脱了通视条件的束缚；在对于平差的测算过程中能够保隙目标地区有高且匀称的精准

度，摆脱区域面积尺寸的束缚。

航带法、光束法以及独立模型法的空中三角测量分别是空中三角测量一般经常使用的

3种方法。下文着重介绍先束法区域网空中三角测量。

光线束法区域网空中三角测量是根据相应的地面点、像点、投影中心点这3者共线作

为条件，解析与计算的单元是单独的影像，利用影像共有的点，将所有影像的光线连接得

到一区域进而全体进行平差，从而能够获得加密点坐标。中心投影的共线条件方程式是此

方法的理论依据所在。利用最小二乘准则，展开对由不同像点的坐标观测值得到的2个对

应的误差方程进行平差，进而能够得到三个摄影站点的空间坐标和三个光线束旋转矩阵的

单独定向参数，以此来获取每个加密点的坐标。此种方式的基本流程为：第一是明确像片

外方位元素和地面点坐标近似值，第二是建立误差以及改化法方程式，第三是采取边法化

边消元的方法以此重复分块得到改化法方程式，第四是计算各外方位元素，第五是计算加

密点的坐标。

该方法的主要思路是：平差的基本单元是选取一份像片构成的一条光线来获得，平差

的数学模型选取的是中心投影的共线方程，平差条件包括了相隔像片共有的相交点有一样

的坐标、控制点的内业坐标等于己知的外业坐标，进而能够得到控制点和加密点的误差方

程式，从而展开全方位的平差计算，如图3-1所示：

14

图31光束法区域网空三测口示意图

(1)误差方程式和法方程式的建立

平差模型以共线条件方程式为准。对共线条件方程:

X二%(XA-Xs)+4(〃-h)+q(Z「Zs)

%(X「Xs)+优化—%)+G(Z「Zs)

y—_f0式XAX$)I打化X)ICZZAZ$)

a.(X-X)h^Y-Y^c(Z-Z)

As+As3As(3-7)

线性化可得误差方程式，当合理确定未知数的初始值后，即可列出每张像片上各控制

点以及加密点的相关的误差方程式。其具备2种未知数，分别为I以及X。I是相对于全部

像片的外方位元素(每张像片有6个)相加的值，X是相对于待定点的地面坐标。其误差方

程式对应的法方程式是：

-%"m「%]n

T-=0

.12"22」1_X」[_W2J(3.8)

(2)改化法方程式的结构

为了更简便的计算，能够采用先去掉其中的1种未知数，仅对于另1种未知数展开计

算。正常来说，定向未知数I的数目小于待定点的坐标未知数X的数目，因此用消元法先

去掉未知数X,获取只包括定向未知数t的改化法方程式为：

俎-/H九(39)

(3)带状法方程式的解算

光束法的改化法方程式(3-9)是具备了大量元素的带状矩阵。倘若要对其进行直接计算

将会变得十分麻烦，并且消耗很多工作单元。所以更便捷的方式应选取循环分块法进行计

算，最终可得一次消元后的改化法方程式：

无人机在公路边坡巡检中的应用

餐」—必阳厂

N22-N：M：N、2N23

N；3N33.’3」LL3J(3-10)

利用式(3-1())的特点，直接采用边法化边消元的循环分块解算方法，只占用(m*n)个

子块的存储单元，借助计算机即可完成改化法方程式的求解。将改化法方程式未知数系数

阵按分块矩阵的子矩阵N”,求逆再将第二张像片法化，重复这两个过程，直至剩下(m*n)

块为止，最后只对(m*n)的方阵求逆，可以得出t的通用公式为:

M+Aj(3-11)

乂加均可从外存储器中调入内存进行计算，这样即可求

式中：i表示像片编号:

出全区域中所有像片的外方位元素的改正数。

再根据式(3-8)可以求得待定点地面坐标改正数的公式：

X=(凡「%对乩

(3-12)

(4)像片方位元素和特定点地面坐标的解算

将式(3・11)计算得到的方位元素改正数，加上方位元素的初始值，可得像片方位元素的

最后值；将式(3・12)计算出的待定点地面坐标改正数，加上待定点地面坐标的初始值，可

得待定点地面坐标的最后值。

16

4无人机公路边坡巡检方案

4.1无人机低空影像获取流程

图4-1荣鑫源喀喇昆龙山完整地形图数据，图4-2荣鑫源喀喇昆龙山地形图数据为本

次无人机测区，即新疆公路边坡的基本地形情况。

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图4-1荣鑫源喀喇昆龙山完整地形图数据

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卜7342.0800・火那

图4-2荣鑫源喀喇昆龙山地形图数据

无人机在公路边坡巡检中的应用

根据当地具体地形地貌，设计如下无人机飞行的操作流程：

①飞行前准备工作：

首先，在相关的一些无人机配套应用软件的地区上选择一个区域最为无人机的飞行区

域范围。其次，相关技术作业人员得到任务以后，便可直接打开无人机相关的配套应用软

件并且导入数据之后就可以得到指定的飞行区域，无人机航飞拍摄作业主要有两种方式，

其中一种是不需要相应的控制点，另外一种则是需要相应的控制点。自接到指定的飞行区

域范围之后，倘若是不需要相关控制点的飞行作业，便可直接在指定区域内进行航线规划

操作。如图4-3中所示，黑色线内是指定的飞行区域，可在此处直接对航线进行规划操作。

图4-3飞行区域

接到指定飞行区域后，倘若是需要控制点的飞行作业，则需要在指定飞行区域内，均

匀地布设一些相应的控制点。如图4-4所示。

图4-4包含控制点的飞行区域

18

②对飞行作业区域进行相关参数设置以及航线规划

依据所选定的区域范围，设置相关系统参数后，便可以自动地进行相关航行线路的计

划与调整。

③无人机飞行流程中的操作

在无人机起飞前，对无人机与控制手部利用蓝牙进行联调操作，并把之前设定规划好

的飞行路线上传至无人机，然后无人机起飞，开始进行拍摄直至拍摄完整个飞行区域。

4.2影像处理流程

无人机低空测量的另一项关键工作便是数据处理，它包含了影像的预处理、影像匹配、

测算自动空中三角、检查拍摄设备高精度、DSM/DEM的自动提取、DOM的产生以及无

缝拼接影像等关键技术1切。数据处理流程图如图4-5所示。

图4-5无人机低空测量数据处理流程图

无人机在公路边坡巡检中的应用

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图4-6无人机获取影像

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图4-7POS点数捱

图4-8像控点

图4-6到4-8为进行数据处理时用到的已知数据纽像。本文采用Photoscan软件进行无

人机数据处理。具体操作步骤为，打开Photoscan软件、添加35张无人机获取到的照片到

项目、对齐照片、建立密集点云、生成三维网格、生成网格纹理。操作过程及结果如图4-9

至I」4-24o

20

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图4-9添加图片

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图4-10对齐图片

无人机在公路边坡巡检中的应用

图4T1处理过程

图4-12建立密集点云

图4-13密集点云图

22

图4-14生成三维网格

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图4-15三维网格成果图1

无人机在公路边坡巡检中的应用

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图4-16三维网格成果图2

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图4T7三维网格成果图3

24

图4-18一：维网格成果图4

图4-19生成纹理

无人机在公路边坡巡检中的应用

图4-20纹理成果图

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图4-21建立TiledModel

26

图4-22TiledModel成果图

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图4-23生成D0M

图4-24DEM模型图

无人机在公路边坡巡检中的应用

为了能够得到产生带地理坐标同时能够对DOM进行测算，需要先提前进行影像匀光

匀色、自动镶嵌、空中三角测量、单片正射纠正等的操作，进而才能够运用到精准的电子

导航、辅助检查与电线3D模型的重新建立等。空中三角测量作为航摄测算的数据处理流

程中至关重要的一个环节，其精度很大程度上决定了DOM的精准程度。

1）传统空中三角测量。其是在室内完成对于极少的控制点的加密流程，以获取其平

面位置和高程的测算方式,以往的空中三角测量的流程包括了航带间转点、内定向、区域

网平差、模型连接、相对定向等的环节，传统空中三角测量作为经常使用的方法之一，然

而其却具备相应的束缚条件，对于航带内的重叠度超过五分之三，航带间超过十分之三。

重叠度大致相同，具有稳定的影像姿态，一般来说，航空拍摄的地区形状类似于矩形。对

于电力线的航空拍摄区来说，便不是一种现状而是一条线路，线路分贝位于电力线的两侧

的2条来回线路。由于拍摄设备受到像幅尺寸的束缚，加上为了规避风险而没有在电力线

正上方展开拍摄，因此造成重叠度不完整，尤其是飞行器在进行拐弯的时候更加难以保持

稳定。根据以往的空中三角测量，其操作非常困难，很难实现自动寻找影像间同名点，因

此也须大量的人手。

2）智能空中三角测量。为了能够高效率的作业，制定出巡检摄影测量中影像加密难

题的解决措施，文章采取了智能空中三角测量处理的方式。这种方式的过程有连接点自动

匹配、自动工程建立、控制点量测、影像预处理、区域网以及自由网平差等。处理流程如

下：

①自动工程建立。对相机参数进行设定，增加影像，按照影像记录的GPS数据，自动

建立空三工程。

②影像预处理。批量处理需要的影像，处理流程包含影金字塔影像建立、特征点提取、

像信息增强处理