無人機(jī)在法國水利工程中應(yīng)用的最新進(jìn)展

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近年來，無人機(jī)技術(shù)日趨成熟、可靠度高，足以用來執(zhí)行測量任務(wù)。在此背景下，特克貝爾(Tractebel)工程公司決定投入自己的設(shè)備，并在公司內(nèi)部開展必要的無人機(jī)技能培訓(xùn)。

特克貝爾工程公司是蘇伊士環(huán)能集團(tuán)下屬的國際工程咨詢公司，擁有兩架多旋翼無人機(jī)設(shè)備，且均配備有合適的相機(jī)，并安裝了任務(wù)規(guī)劃軟件和后期處理軟件。該公司所使用的無人機(jī)是由3DRobotics 無人機(jī)公司生產(chǎn)的四旋翼Iris+無人機(jī)，可攜帶RX100相機(jī)自主飛行約12 min。一個(gè)航次的最大覆蓋距離約為4 km。

無人機(jī)的操作規(guī)則因國而異，例如法國和大多數(shù)歐盟國家為無人機(jī)的操作制定了詳細(xì)規(guī)則，而其他國家禁止使用無人機(jī)，或沒有為其制定操作規(guī)則。研究人員必須花時(shí)間了解這些操作規(guī)則，并獲得無人機(jī)操作必要的許可證。

到目前為止，特克貝爾無人機(jī)團(tuán)隊(duì)已進(jìn)行了8次現(xiàn)場無人機(jī)任務(wù)，共開展3種類型的任務(wù)，主要在非洲進(jìn)行。結(jié)果表明，這項(xiàng)技術(shù)未來的發(fā)展?jié)摿薮?，成果喜人，并指出在不久的將來，無人機(jī)技術(shù)將會得到更大程度地發(fā)展。

1 提供航拍圖片和視頻

通常，水電項(xiàng)目是國家規(guī)劃類項(xiàng)目，惠及全國。這些航拍圖片和視頻有助于項(xiàng)目業(yè)主有效溝通、傳達(dá)項(xiàng)目信息，如項(xiàng)目施工、執(zhí)行和調(diào)試等信息。

一般來說，施工的建筑工地較大，無法從地面上進(jìn)行綜合勘測，因此需要從遠(yuǎn)程視角獲取單張圖片或視頻，將項(xiàng)目的狀態(tài)可視化。無人機(jī)拍攝的航拍圖片或視頻可提供這種視角，并能對項(xiàng)目狀態(tài)作出有效總結(jié)，以便清晰了解項(xiàng)目的相關(guān)狀況。

圖1展示的是一張攝自喀麥隆隆潘卡爾(Lom Pangar)水電站大壩的航拍照片，其壩長約1 km。

圖1 隆潘卡爾水電站大壩壩址航空影像

從實(shí)用性角度看，這些影像是通過無人機(jī)相機(jī)拍攝，其無人機(jī)操控手能夠選擇攝像機(jī)的位置和方向，以捕捉最佳的拍攝角度。相比之下，航拍視頻則可通過已預(yù)設(shè)在飛行器電腦上的航線拍攝獲得，以確保攝像機(jī)拍攝的穩(wěn)定性和方向感。任務(wù)規(guī)劃軟件可使無人機(jī)自動行駛至特定的幾個(gè)航標(biāo)，并將攝像機(jī)對準(zhǔn)已選定的目標(biāo)物。

2 獲取項(xiàng)目區(qū)域的可視化評估

在水電項(xiàng)目的初始設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目組可能會在現(xiàn)場考察期間面臨諸多挑戰(zhàn)，包括：① 懸崖或非常陡峭的斜坡； ②幾乎無法穿越的河流或非常湍急的河流； ③場地植被非常茂密；④項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)道路不暢。

該研究中的項(xiàng)目區(qū)域所涉面積較大，可能包括水庫、采石場和采泥區(qū)，這就進(jìn)一步加大了現(xiàn)場的考察難度。同樣地，該項(xiàng)目的各個(gè)部分可能位于一條很長的河段上(例如遠(yuǎn)程發(fā)電廠的大壩)。因此，在項(xiàng)目發(fā)展初期，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要確定最佳的項(xiàng)目布局，且須為項(xiàng)目的不同組成部分選好合適的地址。

從圖2可以看出一個(gè)新建項(xiàng)目考察期間遇到的若干困難，如穿越河流或沿河流河岸前行，從圖中可查看項(xiàng)目的整個(gè)地勢及布局。

圖2 位于湍急河流上的新建項(xiàng)目

圖3 新建項(xiàng)目地點(diǎn)的瀑布景象

無人機(jī)有助于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)更好地對峽谷(河岸、河床等的幾何形態(tài)和坡度)進(jìn)行評估。圖3顯示了該項(xiàng)目區(qū)域擁有天然瀑布這一特點(diǎn)。如果沒有無人機(jī)協(xié)助，將無法深入了解該區(qū)域的地形情況。

當(dāng)涉及到人身安全時(shí)，使用無人機(jī)完成這類任務(wù)能有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可幫助項(xiàng)目組更細(xì)致地了解整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域的概況。

除此之外，這些照片還可為地質(zhì)學(xué)家提供非常有用的信息，使其能夠解釋項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)普通斷層模式，如圖4所示。

圖4 某項(xiàng)目地點(diǎn)的地質(zhì)斷裂模式航拍圖片

運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)，可加深了解項(xiàng)目地點(diǎn)的狀況，減少現(xiàn)場勘察耗時(shí)，提升服務(wù)質(zhì)量，保證人員安全。此外，無人機(jī)所拍攝的圖片和視頻還可在辦公室回放，有助于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步加深對項(xiàng)目地點(diǎn)情況的直觀印象。當(dāng)項(xiàng)目開發(fā)初期的目標(biāo)是確定特定區(qū)域的最優(yōu)項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，無人機(jī)航拍圖片和視頻會起到非常重要的作用。

3 地形測量

3.1 獲取項(xiàng)目開發(fā)初期的地形數(shù)據(jù)

通常在開展項(xiàng)目可行性研究時(shí)，可用的地形數(shù)據(jù)包括比例為1∶25 000或1∶50 000的地圖，格式為硬拷貝件或PDF格式。此類地圖具有兩大缺陷： ①準(zhǔn)確度較低、數(shù)據(jù)為非數(shù)字格式； ②無法在CAD或GIS軟件中使用。

采用地面測量或激光雷達(dá)測量等傳統(tǒng)方法，可生成更為精確的地形數(shù)據(jù)，但耗時(shí)長，需要幾個(gè)月才能使相關(guān)數(shù)據(jù)達(dá)到所需的精度并滿足所需細(xì)節(jié)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的首要目標(biāo)是確定如何對項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行快速調(diào)查，運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)，可生成比現(xiàn)有的地形圖更為準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，使其快速可靠地進(jìn)行項(xiàng)目篩選。

3.2 提供可靠的地形數(shù)據(jù)

特克貝爾工程公司已使用無人機(jī)借助攝影測量法獲取地形數(shù)據(jù)。

攝影測量法是一種測量技術(shù)，其使用不同位置拍攝的兩張或多張圖片構(gòu)成某個(gè)物體的3D坐標(biāo)，如圖5所示。其工作原理與人類眼睛和大腦的視覺原理一樣：若僅使用一只眼睛，人類只能看到2D信息，使用一雙眼睛才能看到3D信息。

圖5 兩幅立體影像的例子

攝影測量法特別適合測量土地裸露且植被率較低地方的地形數(shù)據(jù)。當(dāng)該地區(qū)植被較為茂盛時(shí)，該法只能計(jì)算樹冠的高程而非地面的高程，這就會導(dǎo)致生成的數(shù)據(jù)模型是數(shù)字高程模型(DEM)而非數(shù)字地形模型(DTM)。特克貝爾公司使用無人機(jī)勘測的區(qū)域面積較大，每日工作量約250 hm2，相當(dāng)于飛行10航次/d，每航次10 min。

此類測量的創(chuàng)新點(diǎn)不在于攝影測量過程(其已有50多年的歷史了)，而是利用無人機(jī)來獲取航拍照片的方法。與飛機(jī)或直升機(jī)獲取空中立體照片的傳統(tǒng)方法相比，無人機(jī)的測量速度更快、價(jià)格更實(shí)惠。

使用無人機(jī)開展測量工作的第一步就是要確定目標(biāo)區(qū)域。然后，在這片區(qū)域上選取地面控制點(diǎn)(GCP)，一般是在地面上畫白色十字來表示控制點(diǎn)，再由地形測量人員測量其平面和高度。這些GCP點(diǎn)可作為地形模型的地理參考物(詳見第 3.3節(jié))。

做好地面測量準(zhǔn)備工作后，就可使用任務(wù)規(guī)劃軟件提前規(guī)劃無人機(jī)的飛行任務(wù)。根據(jù)攝影測量法的原理，立體照片要覆蓋整個(gè)目標(biāo)區(qū)域，其縱向重疊達(dá)到約60%，側(cè)面重疊達(dá)到約30%。通常圖片大小為100 m×80 m。對于飛行計(jì)劃，一般做法是在地面上畫條紋線，如圖6所示。各條紋之間的距離取決于飛行高度以及焦距、分辨率等相機(jī)參數(shù)。圖6展現(xiàn)了一次典型的飛行計(jì)劃。一旦飛行計(jì)劃得以確認(rèn)，無人機(jī)就可開始執(zhí)行任務(wù)，且其飛行控制器可觸發(fā)相機(jī)自動工作。

圖6 地形測量的飛行計(jì)劃

獲取航拍圖片后，使用攝影測量軟件對其進(jìn)行后處理，以便得到正射校正圖像、數(shù)字高程模型(DEM)以及地形圖。圖7(a)顯示出1張DEM圖片，圖7(b)則為相應(yīng)的正射影像。

圖7 土石壩施工現(xiàn)場的DEM和正射影像

3.3 后處理

借助數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，運(yùn)用攝影測量處理軟件使3D模型的建立、尺寸確定和可視化成為可能。后處理的步驟如下：

(1) 航拍圖片校準(zhǔn)。根據(jù)地面控制點(diǎn)(GCP)的位置，可生成基于地理參考的密集云點(diǎn)。

(2) 3D建模?？蓮拿芗泣c(diǎn)中得到一個(gè)不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)，還可得到一個(gè)正射影像，用以覆蓋整個(gè)模型(詳見圖8)。

圖8 3D建模

(3) 輸出數(shù)字高程模型(DEM)和高分辨率正射影像，同時(shí)DEM生成的等高線可在地理信息系統(tǒng)(GIS)中使用。

3.4 測量精度

使用無人機(jī)生成的地形數(shù)據(jù)后，需要確認(rèn)地形模型的精度。

為評估模型精度，特克貝爾工程公司對面積約為5 km2的區(qū)域進(jìn)行了2次地形測量，并計(jì)算其精度。原理是在地面上獲得30個(gè)GCP點(diǎn)：其中10個(gè)用作模型的地理參考，另外20個(gè)用于評估模型精度。使用地面測量法以及無人機(jī)攝影測量法分別測量這20個(gè)GCP點(diǎn)。將這兩種方法計(jì)算得出的坐標(biāo)(X,Y,Z)之間的差異值代入模型評估其精度，認(rèn)為地面測量法的測量精度非常高。

測量GCP的平均誤差，并評估模型的精度后，得出地形平面的平均誤差約為15 cm，高程的平均誤差小于25 cm。對于初期研究而言，這樣的精度可以滿足相關(guān)要求。

3.5 與其他地形測量法對比

在地形測量中使用以下幾種方法：①使用雙GPS或全站儀的地面測量法；②使用飛機(jī)或直升機(jī)進(jìn)行的激光雷達(dá)測量法或攝像測量法；③使用無人機(jī)進(jìn)行的攝影測量法。各自的優(yōu)缺點(diǎn)可概括如下。

(1) 地面測量法： ①精度較高(在平面和高度上的誤差約為1 cm)； ②能夠快速組織測量且較為常用； ③缺點(diǎn)是所測量的區(qū)域面積很小(通常為1～5 km2)，尤其是在森林茂密的地區(qū)或雨季多泥、易滑等較危險(xiǎn)地區(qū)；④一般都能正常測量，但天氣狀況(風(fēng)、雨)會影響測量過程，降低測量進(jìn)度，測量成本很大程度上取決于所測量的區(qū)域大小以及所測量區(qū)域的地形情況。

(2) 攝影測量法或激光雷達(dá)測量法： ①當(dāng)土壤未有植被覆蓋時(shí)，激光雷達(dá)測量法的精度非常高(平面和高度的精度一般為5 cm)，攝影測量法的精度較高(平面和高度的精度約為15cm)； ②所測量的區(qū)域可延伸，達(dá)到100 km2/d；③ 缺點(diǎn)是對天氣的依賴較高，只有天氣晴朗時(shí)才能測量，若天空有云，飛機(jī)一般需飛過云頭，飛行高度約為海拔1 km；④準(zhǔn)備時(shí)間較長，因?yàn)樾枰w機(jī)準(zhǔn)備到位，還需獲得預(yù)定航線的飛行許可；⑤在飛機(jī)起飛之前通常需要2～3個(gè)月的準(zhǔn)備時(shí)間；⑥該方法成本較高，需考慮飛機(jī)飛行和準(zhǔn)備成本，但對于面積較大的區(qū)域則較為有利。

(3) 基于無人機(jī)的攝影測量法： ①在土壤無植被覆蓋且飛行高度為100 m(飛得越低，測量越準(zhǔn)確，但所測面積就越小)的情況下，精度較為合理(平面及高度的精度約為15 cm)； ②能夠快速組織測量，與飛機(jī)相比，無人機(jī)能更快獲得相關(guān)授權(quán)；③通常需要2～3周采集相關(guān)數(shù)據(jù)； ④無人機(jī)測量可覆蓋的面積約為10 km2，其面積介于地面測量和飛機(jī)測量之間；⑤缺點(diǎn)是當(dāng)風(fēng)速超過40 km/h，天氣對無人機(jī)飛行有一定影響；⑥無人機(jī)在下雨、有霧或夜間時(shí)無法起飛。

圖9展示了每種地形測量方法優(yōu)缺點(diǎn)。

圖9 地形測量方式的圖解分析

4 結(jié) 語

引入無人機(jī)1 a多后，特克貝爾工程公司認(rèn)為，所獲得的成果大多具有推動作用和啟示意義。采用無人機(jī)這種全新的方法確定水電項(xiàng)目的狀況，可明顯改進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)度安排、服務(wù)質(zhì)量，并降低成本和提升安全系數(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使得項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠快速收集大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)(包括航拍圖片和地形圖)，有助于其在新建項(xiàng)目的全方位調(diào)查中做出抉擇。

無人機(jī)也可應(yīng)用于施工階段和定量追蹤(地形工具)方面，以便更好地了解項(xiàng)目的基本狀況。此外，施工地址拍攝的無人機(jī)照片能夠記錄施工進(jìn)度以及承包商在施工現(xiàn)場安排的設(shè)備、卡車等，因此無人機(jī)還可在索賠管理過程中發(fā)揮作用。