截至2018年末，我国高速公路总里程已突破14万公里，已完成或正在实施的改扩建高速公路里程达6500余公里，在经济高速发展新常态的背景下，已有高速公路的改扩建工程正逐渐成为基础设施建设领域的重心之一。由于高速公路改扩建会受到现有道路交通流的影响，需考虑安全、保通、进度等因素，因此对施工技术及管理水平均有较高要求。此外，国家在“十三五”交通运输发展规划中提出创新驱动、安全绿色的指导原则，要求我们在新时代高速公路工程建设中，积极探索新技术、新科技，以推动行业高质量发展。
无人机倾斜摄影技术是借助无人机搭载一台或多台传感器，从垂直及倾斜多方向、多角度采集影像，获取地面信息的一项技术。通过数据采集、后处理可获得高精度地面实景三维模型，具有机动灵活、成本低、效率高的特点。目前倾斜摄影技术得益于计算机及无人机技术的发展，在各行业均得到广泛应用，开展了包括公路地质灾害调查、公路勘察设计，城市规划、城市三维建模，露天矿工程量计算、矿山监测等方面的实践研究，并在倾斜摄影三维建模及精度分析方面也取得了较丰富的研究成果。但在高速公路改扩建工程中的应用实践较少。
本文以某高速公路改扩建工程为例，探索无人机倾斜摄影技术在项目施工过程中的应用，为类似项目提质、降本、增效提供借鉴，为进一步拓展无人机倾斜摄影技术的应用领域积累经验。
倾斜摄影三维重建技术
目前倾斜摄影数据采集所用无人机种类较多，本文选用消费级无人机大疆精灵Phantom4 Pro。数据后处理包括影像匹配、空三加密计算、密集匹配、三角构网、纹理映射5个关键技术，目前可选择的后处理软件较多，且操作简单无须较多人工干预，整个过程自动化程度高。
数据采集
无人机搭载的相机型号为FC6310S，镜头焦距8.8毫米，像元尺寸0.00241毫米，CCD尺寸13.2 x 8.8毫米，设计航高80米。按公式：地面分辨率=航高x像元尺寸/镜头焦距，得出地面分辨率为2.19厘米。航飞前对场地进行踏勘，确定航摄范围，在平坦无遮挡的交（角）点位置布设控制点，控制点布置密度根据需测图的比例尺合理选择，并循序均匀布设原则，采集记录工程坐标。地面站选择专业倾斜摄影软件Altizure，规划垂直及倾斜五条航线，设计航向重叠率80%，旁向重叠率70%，航摄过程中当电池耗尽会自动回归标记点，更换电池复飞后自动继续未完成航线。航摄结束后，检查数据完整性及准确性，对遗漏部分或照片影像模糊不清、质量较差的区域进行补飞，完成倾斜摄影的外业数据采集工作。
数据处理
将无人机航摄相片导入后处理软件，检查并补充相片参数。输入控制点信息，对照外业的控制点位置，在航摄相片中精确刺点，尽量让每个航线上的照片均有控制点标记，检查无误提交空三计算。解算完成后查看空三关系模型，确保坐标轴方向正确，进行实景模型重构及各类数据的生产导出。
倾斜摄影在改扩建施工中的应用
以某四改八高速公路改扩建项目为例，试验区沿线地貌单元以平原微丘为主，有多处高填深挖工点，路线加宽方案复杂，保通压力大，施工难度大，针对上述项目特点，在建设重难点上利用无人机倾斜摄影技术开展应用探索。
现状测量条件
高填深挖工点应用
1.土石方计算
高填深挖路基开挖土石方是改扩建项目中的重要施工内容之一，因施工过程中既有道路交通不能中断，现有边坡坡度较陡，测量难度大，局部实测高程点难以采集，造成测量结果不尽如人意，造成土石方量有较大计算误差。
通过倾斜摄影技术可快速、灵活地采集工点区域内现状地面信息，完成实景模型重构后，可计算得到总土石方量、月度土石方开挖量、土石比例数据。
对本项目中5处深挖工点进行实景模型重建及土石方计算，以工点1为例对空三解算后的成果进行精度分析。工点1的计算区域面积为21513平方米，布设定向点7个、检查点7个，根据《数字航空摄影测量空中三角测量规范》，采取定向点和检查点检验模型精度,规范中规定最大限差值如表1。根据空三解算的坐标及实测坐标分别计算定向点及检查点的残差，如表2。
经计算，定向点平面中误差为0.0212米，高程中误差为0.0238米，1:500平地平面定向点中误差最大限差为0.13米，高程中误差最大限差为0.11米，计算结果满足规范对1:500大比例尺限差要求。
经计算，检查点平面中误差为0.1209米，高程中误差为0.1170米，1:500平地平面定向点中误差最大限差为0.17米，高程中误差最大限差为0.15米，计算结果满足规范对1:500大比例尺限差要求。
传统测量数据生成地形曲面
综上，倾斜摄影所得数据具有较高精度，满足施工过程中土石方计算的要求。
三维模型重建完成后输出DEM数据，导入CIVIL 3D中建立地形曲面，利用其体积计算工具，计算施工区域内开挖方量（如表3）。由表3可知工点3在12月份土方增加是因为在量测范围内为邻近填方储备了填料。
综上所述，通过倾斜摄影技术对高填深挖工点进行实景模型重构，精度满足1:500大比例尺的基本要求，土石方计算过程简单、快捷，计算结果为决策者更好把控项目成本及进度提供了依据，在项目建设过程中应用效果良好。
2.高填深挖施工管理
利用无人机对高填深挖工点在某一时间节点的施工状态进行倾斜摄影数据采集，通过航摄相片及实景模型直观地获取工点施工进度、临时防护规范性、投入机械人员数量、防护施工是否及时等信息，而这些都是在传统施工管理中易发生问题且管理难以有效开展的“盲点环节”。
以工点1为例，通过无人机倾斜摄影重构7-12月地面实景模型，可直观地看出每月施工进度；通过土石方量计算，可知月度挖方总量及未及时清运方量，侧面反映施工机械的组织投入情况；计算累计挖方量，可获取施工进度。此外，本工点还存在防护措施未及时施工，临时防护不规范等问题。针对这些问题提出整改措施，结合三维实景模型最终形成周期性工点数字施工记录，有效降低施工安全风险，提高工程质量。
实景模型重构
三角网曲面
临建工程量统计应用
施工中便道、临时场地等工程量往往以预估为主，在已有的实景模型上可通过软件功能获得施工便道长度、宽度或临建场地面积等数据，避免了人工二次测量；拌和站场站内的物料（如土方、砂石等）堆积区进行实景模型重建，借助软件量测物料堆积体积，用于校核进出场物料的数量，是对拌和站物料管理工作有效的补充。
借助倾斜摄影技术对某工程区内的临建工程、场地进行地面实景模型重建后，可开展一系列的模型量测工作，数据获取方便快捷，精度较高，在项目实际应用过程中取得了较好的应用效果。
7月地面实景模型
10月地面实景模型
改扩建互通区临时保通道路量测
拌和站堆料区体积量测
辅助交通导改方案制定
在改扩建工程中，交通导改属重难点。本项目对单侧拼宽大桥改扩建架梁施工过程的交通导改进行了辅助方案设计。通过倾斜摄影技术对导改区进行实景建模，得到具有时效性的DEM、DOM、DSM数据，为交通导改方案制定提供丰富、准确的基础数据。此外，还可通过无人机对调查区域内的交通流量进行记录和采集，为交通导改前后交通情况计算提供数据支撑。通过倾斜摄影三维重建得到的实景模型，一方面增加了交通导改设计方案的合理性及可读性，同时也使专家或决策管理者对方案有更好的把握及更快的评判。
优势与不足
高速公路改扩建施工过程中受控因素多，现场环境条件复杂，对施工及管理水平要求高。本项目探索了无人机倾斜摄影技术在改扩建工程建设过程中的应用，在野外数据采集，实景模型重构的基础上，开展了土石方量计算、高填深挖工点施工管理、临建工程量统计核验、辅助交通导改方案制定等应用实践。结果表明，无人机倾斜摄影技术可以承担施工过程中的各类测量任务，空中三角测量精度可满足1:500大比例尺的限差要求，并通过实景模型重建，从多方面辅助施工建设管理，为项目的提质、降本、增效提供了解决思路。
随着无人机及倾斜摄影技术的飞速发展，该项技术的应用场景越来越多样化。通过高速公路改扩建施工中的应用实践发现，无人机倾斜摄影技术在面对复杂的改扩建施工现场时，可以充分发挥其灵活、低成本、高效率的特点，顺利完成一定区域范围内的测量任务，并通过实景模型重建，辅助开展多项工作，为项目建设的提质、降本、增效，提供了有效的解决途径。
与此同时，我们也应该看到这项技术目前存在的不足，比如姿态数据不精确、镜头畸变、航摄范围小、相片数量大、受天气影响较大等问题。而且，由于工作流程中部分关键环节缺少规范标准的明确要求，造成无人机倾斜摄影成果质量参差不齐。相信随着科技的不断发展，这项技术会更好地助力基础设施建设。
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知识点：无人机倾斜摄影在高速公路改扩建施工中的应用探索
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