無人機(jī)技術(shù)在工程全生命周期中的應(yīng)用研究

楊玉川，周順文，辛立光，楊興國，周家文

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；2.四川蜀禹水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司，成都 610072；3. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

無人機(jī)技術(shù)經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，其性能不斷完善，可操控性越來越好，尤其是隨著計(jì)算機(jī)、通訊、導(dǎo)航等技術(shù)的快速發(fā)展，使無人機(jī)技術(shù)開始從研究階段向?qū)嵱秒A段高速發(fā)展。目前無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，尤其在遙感測繪領(lǐng)域[1,2]，如2003年國內(nèi)第一次大面積使用無人機(jī)技術(shù)，獲取了威海市六十多萬平方公里的遙感數(shù)據(jù)。另外，在2008年汶川地震、2013年蘆山地震、還是今年的九寨溝地震，無人機(jī)在地震災(zāi)區(qū)均扮演重要角色，獲取人員不可到達(dá)區(qū)域的寶貴救援資料，為救援、災(zāi)情評(píng)估提供有利依據(jù)，極大幫助抗震救災(zāi)工作。

目前國內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)無人機(jī)航測技術(shù)各方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，如西南交通大學(xué)的李永樹[3]系統(tǒng)分析了無人機(jī)航測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要功能,探討無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖的主要流程，以及如何利用無人機(jī)影像試驗(yàn)制作數(shù)字產(chǎn)品等；程崇木等對(duì)影響固定翼無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)最終產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素進(jìn)行分析, 并提出提高無人機(jī)測量精度的解決方法[4]；Turner等[5]基于無人機(jī)高分辨率圖像分析了在長時(shí)間段內(nèi)的滑坡變化動(dòng)態(tài)，并且分析了測量過程中的誤差范圍；李玉成與鄒曉列[6]通過對(duì)實(shí)際無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的精度對(duì)比分析，證實(shí)無人機(jī)低空攝影測量能夠滿足繪制1∶1 000地形圖的精度要求；周磊等[7]通過研究GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)和數(shù)據(jù)后處理等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)在山區(qū)丘陵和城區(qū)居民地兩種復(fù)雜地形的1∶500大比例尺DOM和DEM的繪制，等等。

但目前在應(yīng)用無人機(jī)方面很多僅局限于拍攝現(xiàn)場圖像或獲取視頻資料，缺乏對(duì)無人機(jī)采集圖像的深度加工應(yīng)用，本文結(jié)合使用小型無人機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，探討無人機(jī)掃描技術(shù)在工程全生命周期中的應(yīng)用。

1 無人機(jī)航測技術(shù)

本文以無人機(jī)航測、Pix 4 Dmapper軟件和谷歌地球軟件為主要技術(shù)手段，選取常見的幾個(gè)工程領(lǐng)域進(jìn)行研究探討，分析利用無人機(jī)航測技術(shù)各方面優(yōu)勢(shì)可開展的相關(guān)工作。

1.1 無人機(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、數(shù)字?jǐn)z影測量與遙感結(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[8]。往往巖土工程具有地形復(fù)雜、面積大等特點(diǎn)，有時(shí)基本沒有相關(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)地形的三維場景，小型無人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[9]。無人機(jī)遙感技術(shù)是一種航空遙感手段，具有持續(xù)時(shí)間長、高危地區(qū)探測、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。本文使用的是大疆公司生產(chǎn)的精靈系列無人機(jī)，續(xù)航時(shí)間在20 min左右，使用易操作的飛控軟件即可對(duì)目標(biāo)區(qū)域地形進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。

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)地形的三維場景，此時(shí)需要通過其他技術(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)過程，本文選擇Pix4D mapper軟件處理無人機(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：首先選擇無人機(jī)獲取地物、地表影像，之后采用Pix4D軟件來迅速構(gòu)建地形三維模型。該方法雖然采用了傳統(tǒng)的以攝影來獲取地形數(shù)據(jù)的方式，但手段方便簡潔，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。

圖1 Pix4D mapper軟件操作流程圖Fig.1 The operation process of Pix4Dmapper

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)，可采用近年來較為常用的無人機(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[9,10]，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。

無人機(jī)飛行獲取的遙感數(shù)據(jù)，替代過時(shí)而又模糊的谷歌地球自身衛(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量功能，結(jié)合Pix 4 Dmapper軟件生成特定區(qū)域的KML文件，可分析目標(biāo)區(qū)域的長度、面積及巖土方量等定量信息。

2 工程全生命周期應(yīng)用

目前許多水電公司的業(yè)務(wù)開始從傳統(tǒng)的水利水電工程向多維度進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)， 而無人機(jī)技術(shù)正好可以滿足水利水電工程及其他領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

無人機(jī)航測具有方便靈活、高效便捷、成本低、適應(yīng)范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，而采用無人機(jī)技術(shù)航測的精度最多在厘米級(jí)[11, 12]，針對(duì)工程建設(shè)全生命周期中的眾多內(nèi)容均可進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)合筆者航測經(jīng)歷，無人機(jī)可用在工程現(xiàn)場監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害勘察、市政工程、新能源、效果展示等方面。接下來，主要從三個(gè)階段探討無人機(jī)掃描技術(shù)在工程全生命周期的應(yīng)用。

2.1 前期勘測-以河道治理工程為例

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)，這里主要講無人機(jī)技術(shù)在城市河道治理方面，如何有效地加快工程進(jìn)度。筆者有幸參與了成都市某河流的清淤工作，主要負(fù)責(zé)的是對(duì)清淤區(qū)間內(nèi)淤積點(diǎn)的調(diào)查，包括淤積位置、高度以及方量等信息。接觸工作的前期僅采用現(xiàn)場尺子測量，工作速度極其緩慢，而且很難測準(zhǔn)。之后想到要請(qǐng)專門的測量公司，發(fā)現(xiàn)其要價(jià)昂貴而且采用RTK打點(diǎn)速度仍較慢。最后，想到使用無人機(jī)技術(shù)來解決該問題，采用無人機(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，如圖2所示，借助其方便快捷的測量功能，可以快速地獲得各淤積點(diǎn)的長度、寬度、面積等基本信息。

圖2 某淤積河段的三維地形地圖數(shù)據(jù) Fig.2 The three dimensional terrain of some deposition reach

由圖2可知，借助Google earth的測量功能，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，可以估算出淤積點(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)行設(shè)計(jì)，加快進(jìn)度。

2.2 施工階段應(yīng)用-以水庫擴(kuò)建工程為例

以某水庫擴(kuò)建工程為研究對(duì)象，在工程現(xiàn)場使用小型無人機(jī)，不僅獲得了工程現(xiàn)場的宣傳資料，而且基于傾斜攝影技術(shù)獲取了壩址區(qū)的地形數(shù)據(jù)，包括三維地形圖：數(shù)字正射影像圖DOM[圖3(a)]和數(shù)字高程模型DEM[圖3(b)]，而且按照要求生成等高距為2 m的等高線，如圖3(c)所示，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測大壩填筑高度。

圖3 方田壩水庫的三維地形數(shù)據(jù)Fig.3 The three dimensional terrain of Fangtian dam reservoir

根據(jù)其數(shù)字正射影像圖DOM可知，業(yè)主及施工單位營地的位置，上壩公路及下游料場的位置。由其數(shù)字高程模型和等高線可分析目標(biāo)區(qū)域各部位的高程范圍，以及大壩填筑高度，非常直觀形象。結(jié)合水利水電工程施工程序，可知采用無人機(jī)技術(shù)可以完成許多工作，在前期可以結(jié)合現(xiàn)場的數(shù)字正射影像圖DOM，初步分析設(shè)計(jì)工程的施工條件、交通規(guī)劃以及主要料場渣場等，從而輔助設(shè)計(jì)方案比選與優(yōu)化。之后，根據(jù)其三維地形數(shù)據(jù)可以對(duì)選定料場區(qū)域分析各種料源的分布、儲(chǔ)量及開采運(yùn)輸條件等。另外，結(jié)合數(shù)字高程模型及地形圖可以對(duì)一些高邊坡進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，得到一些設(shè)計(jì)成果。

2.3 后期監(jiān)測及效果展示應(yīng)用-以地質(zhì)災(zāi)害為例

我國西南地區(qū)由于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。本章結(jié)合在西南地區(qū)航拍的一些地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場，具體分析無人機(jī)技術(shù)在災(zāi)害治理方面的作用。

2.3.1 泥石流

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16日至17日，由于長時(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)致當(dāng)時(shí)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，共造成20多人傷亡。在2017年5月份對(duì)高峰村多條泥石流溝進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，這里僅選其中一條泡桐溝泥石流，進(jìn)行航拍影像分析，如圖4所示。

圖4 泡桐溝航拍三維地形數(shù)據(jù)Fig.4 The three dimensional terrain of Paotonggou debris flow

由圖4可知，泡桐溝比較順直，采取了攔擋壩的治理方式。采用無人機(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。

2.3.2 堰塞湖

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，而唐家山堰塞湖是其中最大的堰塞湖，距北川縣城約6公里，危害巨大。當(dāng)時(shí)該堰塞體平均壩高105 m，最大庫容3.2 億m3，上下游水位差高達(dá)60 多m。其壩體由石頭和山坡風(fēng)化土組成，通過開挖深13 m、寬8 m的明渠，最終解決了隱患。在2017年5月份到該壩址處，進(jìn)行了現(xiàn)場的航拍測量，獲得當(dāng)前比較新的地形數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 唐家山堰塞湖航拍三維地形地圖數(shù)據(jù) Fig.5 The three dimensional terrain of Tangjiashan barrier lake

由圖5知，經(jīng)過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程一致，壩前庫區(qū)水位大幅降低，而且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，道路四通發(fā)達(dá)，不再是當(dāng)?shù)氐囊淮笪：?。借助于無人機(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)，完全可以滿足地質(zhì)災(zāi)害治理后評(píng)價(jià)的要求。

另外，當(dāng)時(shí)一同觸發(fā)的徐家壩堰塞湖，位于綿竹縣境內(nèi)的燕子堰河上，一旦潰決將危及漢旺鎮(zhèn)和綿竹縣城的安全。經(jīng)過9年之后，再次到現(xiàn)場勘察，獲得其無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，可以清晰地看到庫區(qū)水體的流動(dòng)路徑，為研究其滲漏情況提供第一手的資料，如圖6所示。

圖6 徐家壩堰塞湖航拍三維地形數(shù)據(jù)Fig.6 The three dimensional terrain of Xujiaba barrier lake

由圖6可知，徐家壩經(jīng)過多年的滲流，庫區(qū)水位基本保持不變，其庫區(qū)水體流動(dòng)的路徑僅通過現(xiàn)場的踏勘很難確定，而基于無人機(jī)攝取的三維地形，可以幫助確定庫內(nèi)水體從明流到暗流的滲漏通道，為研究徐家壩庫區(qū)多年的水體平衡提供技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合在實(shí)際工作中對(duì)無人機(jī)的應(yīng)用，探討了無人機(jī)技術(shù)在工程全生命周期中多維度的應(yīng)用，重點(diǎn)從市政工程、水利水電工程、地質(zhì)災(zāi)害治理及評(píng)價(jià)三個(gè)方面，系統(tǒng)探討了無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用思路。具體研究結(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)，合理利用無人機(jī)技術(shù)可以快速獲取工程區(qū)地形地貌，從而有針對(duì)性地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，有效加快工程進(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)在水利水電工程方面，無人機(jī)技術(shù)可以解決三維地形的獲取問題。另外，在工程前期，輔助設(shè)計(jì)確定施工條件、交通規(guī)劃以及主要料場渣場等問題；而且，在工程建設(shè)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測大壩施工現(xiàn)場及三維效果展示，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)測分析；施工完成后，也可實(shí)時(shí)監(jiān)測大壩水庫運(yùn)行情況，避免發(fā)生因現(xiàn)場工作人員看不到而觸發(fā)的災(zāi)害事故。相信未來無人機(jī)技術(shù)將以更加便利快捷的方式獲取野外影像數(shù)據(jù)、服務(wù)于水庫庫區(qū)設(shè)計(jì)、河流及大型水利樞紐等工程；

(3)在地質(zhì)災(zāi)害治理及評(píng)價(jià)方面，對(duì)于泥石流，無人機(jī)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)；而在堰塞湖治理方面，結(jié)合無人機(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，而且可以在災(zāi)害發(fā)生后，人員無法到達(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。

無人機(jī)航測精度雖然受多種因素控制，但只要運(yùn)用得當(dāng)，航測的平面中誤差和高程中誤差均能滿足1∶500地形圖的精度要求[1,4,6,7,11-13]。因此，在工程建設(shè)過程中，利用無人機(jī)技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確進(jìn)行前期勘測及施工設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測施工現(xiàn)場及進(jìn)行三維效果展示。另外，對(duì)于一些人員不易達(dá)到區(qū)域也可方便地進(jìn)行工程完建后的監(jiān)測分析， 從而實(shí)現(xiàn)為土木工程全生命周期內(nèi)的服務(wù)。

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