小型無(wú)人機(jī)技術(shù)在河道治理工程中的應(yīng)用研究

楊玉川，楊興國(guó)，周順文，王小波

(1.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； 2.四川大學(xué)，四川 成都610065)

無(wú)人機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段，具有適用地形廣泛、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、快速高效、使用機(jī)動(dòng)靈活，以及用于補(bǔ)充地面測(cè)量、衛(wèi)星遙感和有人機(jī)航空測(cè)量等大、中比例尺測(cè)圖等優(yōu)勢(shì)[1-2]。目前無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遙感測(cè)繪領(lǐng)域[3-4]、應(yīng)急和搶險(xiǎn)救災(zāi)[5]，工程結(jié)構(gòu)[6]、管線工程[7]、市政工程[8]、水利工程[9]等眾多領(lǐng)域。尤其在遙感測(cè)繪領(lǐng)域，如2003年國(guó)內(nèi)第一次大面積使用無(wú)人機(jī)技術(shù)，獲取了威海市六十多萬(wàn)平方公里的遙感數(shù)據(jù)。另外，在2008年汶川地震[5,10]、2013年蘆山地震、以及2017年九寨溝地震中，無(wú)人機(jī)均扮演重要角色，獲取了人員不可到達(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)，極大幫助了抗震救災(zāi)工作。

目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)各方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，如程崇木等[11]對(duì)影響固定翼無(wú)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(wú)人機(jī)測(cè)量精度的解決方法；李玉成與鄒曉列[12]通過(guò)對(duì)實(shí)際無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的精度對(duì)比分析，證實(shí)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量能夠滿足繪制1 ∶1 000地形圖的精度要求；周磊等[13]通過(guò)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(wú)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。但目前利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在河道治理工程中的應(yīng)用研究較少。

無(wú)人機(jī)技術(shù)在河道治理工程中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，由于城市河道植被覆蓋較少且范圍一般不大，因此利用無(wú)人機(jī)航攝可快速獲取基本無(wú)遮擋的全景圖像，而且通過(guò)對(duì)航拍圖像的后期處理，可以獲得目標(biāo)區(qū)域的三維全景圖、三維地形圖、正射影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型等。由于無(wú)人機(jī)操作方便且可快速得到相應(yīng)地形數(shù)據(jù)，因此采用該技術(shù)有助于進(jìn)行河道治理方案設(shè)計(jì)，加快工程進(jìn)度。另外，對(duì)于一切露天的巖土工程包括水環(huán)境、新能源、市政工程等領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)技術(shù)均可輔助進(jìn)行前期勘測(cè)、施工設(shè)計(jì)、后期監(jiān)測(cè)，以及效果展示等工作。

1 無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)

以無(wú)人機(jī)航測(cè)、圖像處理軟件及谷歌地球軟件為主要技術(shù)手段，系統(tǒng)分析如何利用無(wú)人機(jī)獲取的航拍圖像來(lái)解決工程問(wèn)題。

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)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。世界上有用途多樣的無(wú)人機(jī)，續(xù)航時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)不等，本文使用的是大疆公司生產(chǎn)的精靈系列無(wú)人機(jī)Phantom 3 Standard (Phantom 3S)，如圖1所示。

由圖1可知，采用地面工作站即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)指定區(qū)域的航拍，該無(wú)人機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)Phantom 3S航測(cè)主要過(guò)程

表1 無(wú)人機(jī)Phantom 3S關(guān)鍵指標(biāo)

結(jié)合無(wú)人機(jī)航拍特點(diǎn)，使用易操控的飛控軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域地形的實(shí)時(shí)掃描。通過(guò)設(shè)定合理的航線及航攝重疊率，即可滿足圖像三維建模的要求。

1.2 三維地形及全景圖獲取

巖土工程往往具有地形復(fù)雜、面積大等特點(diǎn)，有時(shí)基本沒有相關(guān)地形資料，傳統(tǒng)方法很難快速獲得地形信息。想要獲得一種既高效又低成本快速構(gòu)建目標(biāo)地形三維場(chǎng)景的解決方案，小型無(wú)人機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 三維地形圖處理

航攝影像采集需要通過(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，本文選擇Pix4Dmapper軟件處理無(wú)人機(jī)航拍圖像進(jìn)行三維建模。該軟件操作的主要思路是：先利用無(wú)人機(jī)獲取地物、地表影像，之后采用該軟件可迅速構(gòu)建地形的三維模型，具體操作流程如圖2所示。

圖2 Pix4Dmapper軟件操作流程

由圖2可知，利用無(wú)人機(jī)航拍圖像，保證一定的航向和旁向重疊率后，即可通過(guò)Pix4Dmapper軟件建立數(shù)字正射影像圖、三維地形圖及谷歌瓦片等文件。

1.2.2 全景圖處理

全景影像具有全視角、虛擬真實(shí)的特點(diǎn)，逐漸成為一種新穎的地理信息數(shù)據(jù)[14]。借助相關(guān)軟件，采用無(wú)人機(jī)可以快速地獲取空中、地面、水面等復(fù)雜場(chǎng)景的高分辨率全景影像。利用無(wú)人機(jī)技術(shù)制作的空中全景具有分辨率高、場(chǎng)景大、視角范圍廣，以及能更好地顯示立體三維效果的特點(diǎn)，其具體的操作流程如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)全景圖制作流程

由圖3可知，對(duì)于空中全景影像數(shù)據(jù)以無(wú)人機(jī)航拍的同一視點(diǎn)的照片素材為基礎(chǔ)，屬于共心圖像，多幅圖像同用一個(gè)攝影中心，拍攝時(shí)相鄰圖像保證重疊度達(dá)到30%以上即可。并采用基于圖像特征點(diǎn)的拼接方法，不僅計(jì)算量低，而且配準(zhǔn)精度高。

1.3 谷歌地球軟件

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，且絕大部分不具備最新的時(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)較為常見的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)特定區(qū)域地形進(jìn)行航攝。經(jīng)實(shí)踐證明，依據(jù)航攝影像建立的三維地形誤差多在10 cm級(jí)[11-13]。鑒于許多工程前期勘測(cè)及施工設(shè)計(jì)的精度要求，航測(cè)建立的小區(qū)域大比例尺(1 ∶1 000)地形圖完全可以滿足很多設(shè)計(jì)工作要求。

無(wú)人機(jī)飛行獲取的遙感數(shù)據(jù)，可以替代模糊的Google earth自身衛(wèi)星地圖，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性與高精度，將地形地貌、滑坡災(zāi)害和基礎(chǔ)地質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。具體方法是：利用Google earth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，以唐家山堰塞湖為例(見圖4)。

圖4 唐家山堰塞湖航拍的三維地形圖數(shù)據(jù)

由圖4可知，借助于無(wú)人機(jī)航拍，可獲取小區(qū)域該堰塞湖壩體的三維地形數(shù)據(jù)，利用Pix4Dmapper軟件生成的谷歌瓦片文件，可導(dǎo)入到谷歌地圖軟件，形成分辨率更高的三維地圖。

2 河道治理

本文以成都市天府新區(qū)某河道的清淤及護(hù)堤修復(fù)工作為例，介紹無(wú)人機(jī)在河道治理中的應(yīng)用。

2.1 河道疏浚

對(duì)于清淤工作，調(diào)查目標(biāo)河段淤積點(diǎn)的具體信息包括：淤積位置、高度、方量，以及施工道路布置、淤積物堆放等。工作前期僅采用現(xiàn)場(chǎng)尺子測(cè)量，工作速度極其緩慢，而且很難測(cè)準(zhǔn)。如請(qǐng)專門的測(cè)量公司，其要價(jià)昂貴且采用RTK打點(diǎn)測(cè)量速度也不快，精準(zhǔn)度也不高。最后，確定借助無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)解決該問(wèn)題，利用無(wú)人機(jī)獲得的目標(biāo)河段三維地形數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)各淤積點(diǎn)的特征信息，之后，使用三維地形來(lái)規(guī)劃場(chǎng)內(nèi)道路布置及淤積物堆放問(wèn)題。

2.1.1 河段清淤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

對(duì)目標(biāo)河段進(jìn)行航線劃定，保證航線之間合理的航拍重疊率，采集目標(biāo)區(qū)域的航拍照片。本文處理的河段共采集239張航拍照片，將其導(dǎo)入Pix4Dmapper軟件內(nèi)，如圖5所示。

圖5 某河段的航拍圖像

將航拍圖像導(dǎo)入處理軟件后，該軟件即可進(jìn)行自動(dòng)化處理，依據(jù)圖像間的特征點(diǎn)即可解譯出地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 該河段航拍圖像三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

航拍圖像經(jīng)過(guò)該軟件處理后，可以生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)軟件最終處理后，航拍圖像的分別率為2.49 cm，可生成數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)以及等高距為1 m的地形圖，如圖7所示。

圖7 該河段的三維地形數(shù)據(jù)

由圖7(a)可知，基于該河段的正攝影圖，目標(biāo)區(qū)域共有5個(gè)大的淤積點(diǎn)位。圖7(b)可采用CAD 軟件統(tǒng)計(jì)出淤積點(diǎn)的淤積特征，在這里利用Pix4Dmapper軟件生成的谷歌瓦片文件來(lái)統(tǒng)計(jì)淤積點(diǎn)的特征信息。

采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)研究區(qū)間進(jìn)行航拍攝影后，最終將處理生成的谷歌瓦片文件導(dǎo)入谷歌地圖，如圖8所示，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(以3號(hào)淤積點(diǎn)為例)。

圖8 淤積河段的三維地形地圖數(shù)據(jù)

由圖8可知，借助Google earth的測(cè)量功能，可方便獲得1～5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，如表2所示。

表2 河段淤積量統(tǒng)計(jì)

由表2可知，該段河道總的淤積方量為75 809.61 m3。對(duì)比前面提到的兩種估測(cè)河道淤積方量的方法，明顯可知采用航拍技術(shù)成本低廉、速度較快，而且10 cm級(jí)的誤差可以保證其清淤方量估算的準(zhǔn)確性。

2.1.2 清淤道路及堆放場(chǎng)地布置

對(duì)于河道清淤工作而言，淤積點(diǎn)位及淤積方量的確定只是工作的第一步，之后需要考慮清淤工程道路及堆放淤泥的場(chǎng)地布置問(wèn)題。利用無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域獲得的全景圖即可方便考慮上述問(wèn)題，清淤河段的全景如圖9所示。

圖9 淤積河段的三維全景

由圖9可知，各淤積點(diǎn)在三維全景圖上的空間位置，基于工程要求選擇合適的位置進(jìn)行堆渣，最終選定1號(hào)淤積點(diǎn)右側(cè)的位置進(jìn)行堆渣，而旁邊的道路為施工便道，具體布置情況如圖10所示。

工程主要涉及目標(biāo)河段左右岸淤積物，右岸1號(hào)淤積點(diǎn)全長(zhǎng)大約218 m，左岸2號(hào)淤積點(diǎn)全長(zhǎng)約275 m，清淤深度至水下0.5 m，對(duì)于清淤后淤積物通過(guò)施工便道堆積到旁邊的堆積點(diǎn)，具體平面布置見圖10。

圖10 淤積河段的施工便道及渣場(chǎng)布置

如圖10所示，1號(hào)點(diǎn)施工便道從河濱路開口，施工便道長(zhǎng)度約106 m，2號(hào)點(diǎn)施工便道通過(guò)從1號(hào)清淤點(diǎn)填土埋管進(jìn)行施工通道布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約31 m。施工時(shí)先疏浚2號(hào)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)的施工通道運(yùn)送淤泥至1號(hào)點(diǎn)旁的指定堆積點(diǎn)，之后疏浚1號(hào)淤泥點(diǎn)。其他三個(gè)淤積點(diǎn)淤泥通過(guò)河道左右兩邊的河濱路運(yùn)送至指定渣場(chǎng)。

2.2 河道護(hù)堤修復(fù)

城市河道由于常年河水沖刷，會(huì)導(dǎo)致部分河段護(hù)堤出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，這就需要定期進(jìn)行維修加固。研究河段由于位于河道的凹岸，由于長(zhǎng)期河水沖刷，導(dǎo)致部分河道護(hù)堤沖毀嚴(yán)重，如圖11所示。

圖11 河段護(hù)堤破壞情況

由圖11可知，由于河流長(zhǎng)期沖刷，該處護(hù)堤損壞嚴(yán)重，為了保證河道安全，急需采取工程措施加固損壞的護(hù)堤。利用無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)即可方便快速獲得該處的數(shù)字正射影像圖DOM，如圖12所示。

由圖12可知，護(hù)堤施工圍堰主體采用黏土夯實(shí)，迎水面鋪設(shè)一層防滲土工膜，其外側(cè)再采用編織袋盛土壓緊。上、下游圍堰兩堰角回填卵石，人工拋填、壓實(shí)。其中部分河段利用現(xiàn)狀河堤作為臨時(shí)施工圍堰，減少圍堰填筑量。

圍堰合攏后，根據(jù)施工情況和基底滲漏情況，采用初期排水和經(jīng)常性排水兩種方式，排出基坑內(nèi)的積水和滲水，以保持基坑干燥，保證施工進(jìn)度。之后，利用無(wú)人機(jī)獲得該處的三維地形圖，如圖13所示。

圖12 破壞護(hù)堤河段的三維數(shù)字正攝影

圖13 該河段等高距為1 m的等高線

由圖13可知，河道護(hù)提治理的大概長(zhǎng)度以及治理的大致深度，決定對(duì)現(xiàn)狀已開裂段進(jìn)行拆除重建，利用拆除原條石砌筑。對(duì)于42.5 m范圍河堤腳進(jìn)行保護(hù)，采用40 cm厚面板100 cm×80 cm護(hù)腳進(jìn)行防沖刷保護(hù)，設(shè)計(jì)斷面如圖14所示。

由圖8、圖10以及圖14可知，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)獲取研究河道的三維地形數(shù)據(jù)不僅可以對(duì)淤積方量進(jìn)行準(zhǔn)確地估算，而且可以輔助進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)工作，使設(shè)計(jì)工作更加方便快捷。

圖14 河堤治理的典型斷面(單位：cm)

3 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在河道治理工程中的應(yīng)用嘗試，顯示了該技術(shù)在前期勘測(cè)及工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，本文主要結(jié)論如下：

(1)合理利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，可以大大節(jié)約工程的勘測(cè)時(shí)間，提高工作效率。

(2)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以輔助進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，方便快捷地進(jìn)行施工場(chǎng)地和道路布置，大大加快了工程進(jìn)度。

(3)對(duì)河道工程綜合分析可知，無(wú)人機(jī)技術(shù)可應(yīng)用于工程全生命周期中，包括前期勘測(cè)、施工階段應(yīng)用、工程后期監(jiān)測(cè)及效果展示。

當(dāng)然，無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用絕不僅限于河道治理，對(duì)于其他工程，如地質(zhì)災(zāi)害普查、水土保持、環(huán)境工程、新能源等領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)技術(shù)均可輔助進(jìn)行相關(guān)工作，相信未來(lái)在眾多工程領(lǐng)域無(wú)人機(jī)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。