無(wú)人機(jī)技術(shù)在工程全生命周期中的應(yīng)用

何 坤，楊玉川

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

文中以無(wú)人機(jī)航測(cè)、Pix4Dmapper軟件和谷歌地球軟件為主要技術(shù)手段，選取幾個(gè)工程領(lǐng)域進(jìn)行研究探討，分析利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可開(kāi)展的相關(guān)工作。

1.1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，獲取特定區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）的地形因子和地形特征線非常重要，而常用的獲取方法主要包括人工實(shí)測(cè)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與遙感結(jié)合法，以及把已有的地形圖數(shù)字化利用等高線和離散點(diǎn)內(nèi)插生成DEM法等。由于巖土工程往往具有地形復(fù)雜、面積大等特點(diǎn)，有時(shí)基本沒(méi)有相關(guān)地形資料，傳統(tǒng)方法很難快速獲得地形信息。因此，想要獲得一種既高效又低成本快速構(gòu)建目標(biāo)地形的三維場(chǎng)景，小型無(wú)人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是一種航空遙感手段，不僅可以利用高分辨率相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，而且利用空中和地面控制設(shè)備可實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)拍攝和獲取。

1.2 Pix4D mapper軟件

航拍圖像數(shù)據(jù)采集后，需要構(gòu)建目標(biāo)地形的三維場(chǎng)景，此時(shí)需要通過(guò)其他技術(shù)處理轉(zhuǎn)換成地形信息，目前有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，文中選擇Pix4Dmapper軟件處理無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)。該軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)，而且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算三維空間基本圖像的外部方位元素，并進(jìn)行圖像校準(zhǔn)，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。另外，添加地面控制點(diǎn)后三維地形圖精度會(huì)更高。主要方法是：首先選擇無(wú)人機(jī)獲取地物、地表影像，之后采用Pix4D軟件來(lái)迅速構(gòu)建地形三維模型。該方法雖然采用了傳統(tǒng)的以攝影來(lái)獲取地形數(shù)據(jù)的方式，但手段方便簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)收集工作效率高，影像數(shù)據(jù)處理使用Pix4D軟件基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)三維建模，具有高效快速、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。該軟件的操作流程如圖1所示。

1.3 谷歌地球軟件處理

由于Google earth軟件自身提供的地形照片數(shù)據(jù)為衛(wèi)星照片，在精確度上往往很差，且不具備時(shí)效性?？紤]到設(shè)計(jì)工作有時(shí)需要最新且精確的地形數(shù)據(jù)，可采用近年來(lái)較為常用的無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)對(duì)特定區(qū)域地形進(jìn)行航拍攝影。經(jīng)實(shí)踐證明航拍攝影所建立的三維地形數(shù)據(jù)誤差在10 cm級(jí)左右，基于許多工程前期設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求，航拍建立的小區(qū)域大比例尺（1∶2 000）地形圖，完全可以滿足很多設(shè)計(jì)工作的需要。

圖1 Pix4D mapper軟件操作流程圖

無(wú)人機(jī)飛行獲取的遙感數(shù)據(jù)，替代谷歌地球自身衛(wèi)星圖像，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性與高精度，實(shí)現(xiàn)地形地貌、滑坡災(zāi)害和基礎(chǔ)地質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。具體方法是：利用谷歌地球軟件的測(cè)量功能，結(jié)合Pix4Dmapper軟件生成特定區(qū)域的KML文件，可分析目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度、面積及巖土方量等定量信息。

2 工程應(yīng)用

結(jié)合相關(guān)研究及工程實(shí)例，無(wú)人機(jī)可用在水利水電、地質(zhì)災(zāi)害治理、市政工程等各種工程領(lǐng)域的前期勘測(cè)設(shè)計(jì)、技施設(shè)計(jì)等多個(gè)設(shè)計(jì)階段。文中接下來(lái)，分別以市政河道清淤工程和地質(zhì)災(zāi)害治理工程為例，探討無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)在工程全生命周期的應(yīng)用。

2.1 市政工程

市政工程是城市建設(shè)的基礎(chǔ)工程，往往具有施工工期緊，任務(wù)緊迫的特點(diǎn)。而無(wú)人機(jī)技術(shù)在城市河道治理方面，可以有效地加快工程進(jìn)度。以成都市某河流的清淤工作為例，前期需要對(duì)清淤區(qū)間內(nèi)淤積點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，包括淤積位置、高度以及方量等信息。如果僅采用現(xiàn)場(chǎng)尺子測(cè)量，工作速度極其緩慢，而且很難測(cè)準(zhǔn)。經(jīng)咨詢專(zhuān)門(mén)的測(cè)量公司，發(fā)現(xiàn)其要價(jià)昂貴而且采用打點(diǎn)方式，速度也不是很快，而且精準(zhǔn)度也不高。最后，筆者使用無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)解決該問(wèn)題，采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)研究區(qū)間進(jìn)行航拍攝影，最終將處理的三維地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入谷歌地圖，借助其方便快捷的測(cè)量功能，可以快速地獲得各淤積點(diǎn)的長(zhǎng)度、寬度、面積等基本信息。

由某淤積河段的三維地形地圖數(shù)據(jù)可知，借助Google earth的測(cè)量功能，可方便獲得1～3號(hào)點(diǎn)的淤積面積，這是估算淤積方量非常重要的計(jì)算指標(biāo)，之后利用每一個(gè)淤積點(diǎn)的數(shù)字高程模型DEM，估算出淤積點(diǎn)在水面上的平均淤積高度。最后，結(jié)合水下淤積深度，即可比較準(zhǔn)確估算出淤積點(diǎn)的清淤方量，對(duì)比前面的兩種方法，采用航拍技術(shù)成本低廉、速度較快，而且10 cm級(jí)的誤差可以保證其估算清淤方量的準(zhǔn)確性。當(dāng)然，無(wú)人機(jī)技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用絕不僅限于河道治理，合理利用無(wú)人機(jī)不僅可以快速獲取工程區(qū)的地貌，從而更精確并有針對(duì)性地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，從而可以加快工程設(shè)計(jì)進(jìn)度。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害治理工程

我國(guó)西南地區(qū)地處青藏高原與次一級(jí)的高原與盆地之間的接觸帶上，山高谷深，在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化歷史作用下，淺表層巖體較為破碎且風(fēng)化卸荷嚴(yán)重，許多山體往往存在許多堆積層坡體。在降雨、地下水位變化及地震等外部因素的作用下，往往容易觸發(fā)較大的地質(zhì)災(zāi)害，輕則發(fā)生滑坡、泥石流，重則堵塞河道形成堰塞湖，乃至發(fā)生災(zāi)難性事故，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。文中結(jié)合在西南地區(qū)兩個(gè)地質(zhì)災(zāi)害實(shí)例，具體分析無(wú)人機(jī)技術(shù)在災(zāi)害治理方面的作用。

在西南地區(qū)，山高坡陡，經(jīng)常發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，常常沖毀公路鐵路等交通設(shè)施甚至村鎮(zhèn)等，是山區(qū)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。在2015年8月，由于長(zhǎng)時(shí)間的暴雨導(dǎo)致瀘州市白臘苗族鄉(xiāng)高峰村一帶遭遇泥石流侵襲，導(dǎo)致沿高山峽谷地帶修建的房屋被沖毀，道路、通訊、電力等基礎(chǔ)設(shè)施全部中斷。在2017年5月份對(duì)高峰村多條泥石流溝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選取其中一條泡桐溝泥石流，進(jìn)行航拍影像分析。

由泡桐溝航拍三維地形數(shù)據(jù)可知，泡桐溝比較順直，采取了攔擋壩的治理方式。采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，不僅在前期可以實(shí)時(shí)獲取泥石流災(zāi)害信息及初始的地形數(shù)據(jù)，包括泥石流發(fā)生的位置，距離、路徑、高差等具體信息，為泥石流溝道的縮尺試驗(yàn)提供寶貴的原型尺寸。而且在溝道治理上還可在攔擋壩壩址選擇，及溝道寬度設(shè)計(jì)等方面提供基礎(chǔ)的地形及料源信息，從而輔助設(shè)計(jì)人員更準(zhǔn)確地制定泥石流治理方案。

堰塞湖往往是由火山熔巖流或地震活動(dòng)等原因，引起山崩滑坡體堵截河谷或河床后貯水而形成的，2008年5月12日汶川特大地震共造成34處堰塞湖危險(xiǎn)地帶，其中唐家山堰塞湖規(guī)模最大，該堰塞湖，距北川縣城僅約6公里，危害巨大。當(dāng)時(shí)該堰塞體平均壩高105 m，最大庫(kù)容3.2億m3，上下游水位差高達(dá)60多米。其壩體由石頭和山坡風(fēng)化土組成，應(yīng)急處理時(shí)期，通過(guò)開(kāi)挖深13 m、寬8 m的明渠，最終解決了隱患。在2017年5月份，至該堰塞湖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行航拍測(cè)量，獲得當(dāng)前比較新的地形數(shù)據(jù)。

由唐家山堰塞湖航拍三維地形地圖數(shù)據(jù)知，經(jīng)過(guò)9年左右的河流沖刷，堰塞壩體順河槽段基本與原始河床高度一致，壩前庫(kù)區(qū)水位大幅降低，壩體由于多年的沉積也趨于穩(wěn)定。目前在壩體上建了多處房屋，而且道路四通發(fā)達(dá)，不再是當(dāng)?shù)氐囊淮笪：?。借助于無(wú)人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害治理后的后評(píng)價(jià)事宜，方便易得最新的地形數(shù)據(jù)，滿足地質(zhì)災(zāi)害治理后評(píng)價(jià)的要求。

3 結(jié)論

文中結(jié)合在實(shí)際工作中對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，探討了無(wú)人機(jī)技術(shù)在工程全生命周期中多維度的應(yīng)用，重點(diǎn)從地質(zhì)災(zāi)害治理及評(píng)價(jià)、市政工程兩個(gè)方面，探討了無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用方法。通過(guò)上述工程案例，可以展望無(wú)人機(jī)在未來(lái)水利水電、新能源工程中的應(yīng)用前景，具體結(jié)論如下：

1）對(duì)于市政工程，結(jié)合其點(diǎn)多面廣，且工期要求極其嚴(yán)格的特點(diǎn)，合理利用該技術(shù)可以快速獲取工程區(qū)地形地貌，從而更有針對(duì)性地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，有效加快工程設(shè)計(jì)進(jìn)度。尤其是在河道清淤、閘壩設(shè)計(jì)、堤岸防護(hù)等工程方面，均能起到積極作用。

2）在地質(zhì)災(zāi)害治理及評(píng)價(jià)方面，采用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以系統(tǒng)分析水電庫(kù)區(qū)滑坡觸發(fā)機(jī)制，有助于庫(kù)區(qū)滑坡治理；另外，對(duì)于泥石流，該技術(shù)可以獲取準(zhǔn)確的溝道數(shù)據(jù)，有助于泥石流科學(xué)研究（縮尺試驗(yàn)）及治理方案設(shè)計(jì)；在堰塞湖治理方面，結(jié)合無(wú)人機(jī)獲得的三維地形數(shù)據(jù)，不僅可以在災(zāi)害發(fā)生前進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且可以在災(zāi)害發(fā)生后，人員無(wú)法到達(dá)的第一時(shí)間獲得寶貴地質(zhì)資料，為救援及災(zāi)害治理獲得一手資料。另外，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的后評(píng)價(jià)及科學(xué)研究上，該技術(shù)將會(huì)非常有意義。

3）在水利水電工程方面，無(wú)人機(jī)技術(shù)可以解決三維地形的獲取問(wèn)題，另外，在工程前期，輔助設(shè)計(jì)確定施工條件、交通規(guī)劃以及主要料場(chǎng)渣場(chǎng)等問(wèn)題；而且，在工程建設(shè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩施工現(xiàn)場(chǎng)及三維效果展示，對(duì)于一些人員不易達(dá)到區(qū)域也可方便地進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析；施工完成后，也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩水庫(kù)運(yùn)行情況，避免發(fā)生因現(xiàn)場(chǎng)工作人員看不到而觸發(fā)的災(zāi)害事故。無(wú)人機(jī)技術(shù)將以便利快捷的方式獲取野外影像數(shù)據(jù)、服務(wù)于水庫(kù)庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)、河流及大型水利樞紐等工程項(xiàng)目。

4）在新能源領(lǐng)域，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等施工場(chǎng)地上，地形相對(duì)開(kāi)闊,具有很好地應(yīng)用無(wú)人機(jī)的條件，深度地應(yīng)用無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)可以有效地降低設(shè)計(jì)成本、加快工程進(jìn)度。