無(wú)人機(jī)和Arcgis在線性工程水土保持設(shè)施驗(yàn)收中的應(yīng)用

莫學(xué)海

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

對(duì)于線路長(zhǎng)、區(qū)域廣、工點(diǎn)分散的線性工程，水土保持設(shè)施驗(yàn)收工作量大，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)勘查和內(nèi)業(yè)整理方法會(huì)耗費(fèi)較多的人力物力，且工作效率、數(shù)據(jù)精度無(wú)法保證。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用于水土保持工作中的高新設(shè)備和技術(shù)日益成熟，尤其是在衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)技術(shù)等方面的應(yīng)用取得了快速發(fā)展。無(wú)人機(jī)技術(shù)具有低空高分辨率、航拍和測(cè)圖效率高、外業(yè)成本低、快速、方便的特點(diǎn)。但由于無(wú)人機(jī)技術(shù)在水土保持設(shè)施驗(yàn)收工作中的應(yīng)用屬新生事物，尚未形成統(tǒng)一、有效的方法與標(biāo)準(zhǔn)，加上水土保持相關(guān)技術(shù)人員基本無(wú)測(cè)量技術(shù)背景，對(duì)于低空攝影數(shù)字影像圖的后期處理，需克服專業(yè)壁壘及技術(shù)短板的影響等因素。

1 工程概況

梧柳高速主線全長(zhǎng)214.352 km，主線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，其中梧州至象州段設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬26 m，象州至柳州段設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基寬28 m；象州、平南東連接線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬15 m；江口、運(yùn)江、東華連接線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬10 m；白沙、國(guó)安至垌心連接線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬8.5 m；大瑤山旅游區(qū)連接線采用三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度30 km/h，路基寬7.5 m。主線、連接線全部為新建項(xiàng)目。全線共設(shè)置橋梁217座，總長(zhǎng)45 859.91 m；共設(shè)置涵洞通道1156道，總長(zhǎng)42 681 m。全線共設(shè)置隧道16座，總長(zhǎng)15 265.5 m。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括：路基、互通（14 處）、橋梁（217 座、涵洞1156 道）、隧道（16座）、沿線設(shè)施（主要包括服務(wù)區(qū)6處、隧道管理站3處、無(wú)人通信站14處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)5處、匝道收費(fèi)站10處）。項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中設(shè)置棄渣場(chǎng)189 處，取土場(chǎng)38處，施工生產(chǎn)生活區(qū)49處，施工便道147.82 km。

2 水土保持設(shè)施驗(yàn)收重點(diǎn)內(nèi)容

梧柳高速水土保持設(shè)施驗(yàn)收自查初驗(yàn)的重點(diǎn)工作主要為復(fù)核項(xiàng)目水土保持方案確定的水土流失防治目標(biāo)，全面核驗(yàn)水土保持設(shè)施數(shù)量和投資，檢查各項(xiàng)水土保持措施配置的合理性及設(shè)施質(zhì)量，評(píng)價(jià)施工中的水土流失控制效果以及水土保持設(shè)施試運(yùn)營(yíng)情況和效果，核查水土保持設(shè)施后續(xù)管理責(zé)任落實(shí)情況，明確驗(yàn)收前需要解決的遺留問(wèn)題，提出自查初驗(yàn)核查的結(jié)論和建議。

梧柳高速水土保持設(shè)施驗(yàn)收外業(yè)核查采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行全面航飛，檢查水土保持措施實(shí)施范圍、面積，檢查有無(wú)新設(shè)取土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)，檢查有無(wú)較大的水土流失危害等。對(duì)于線路較長(zhǎng)、棄渣場(chǎng)多且分散的線性工程，水土流失重點(diǎn)防治區(qū)域?yàn)闂壴鼒?chǎng)區(qū)，因此水土保持設(shè)施驗(yàn)收的重點(diǎn)查驗(yàn)內(nèi)容為棄渣場(chǎng)防治責(zé)任范圍、面積，以及水土保持設(shè)施數(shù)量，主要為棄渣場(chǎng)周邊截排水溝、坡腳擋渣墻、棄渣頂面和坡面綠化措施等。

3 硬件及軟件支持

3.1 硬件配備

梧柳高速水土保持設(shè)施驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)采用的無(wú)人機(jī)為消費(fèi)型四旋翼無(wú)人機(jī)，型號(hào)為Phantom4 Pro（大疆精靈4 Pro），由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套使用的DJI GO 4 App組成。

機(jī)身配備先進(jìn)的視覺(jué)定位及障礙物感知系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)指點(diǎn)飛行與智能跟隨等功能，并可自動(dòng)返航以及在室內(nèi)穩(wěn)定懸停、飛行；配備全新24 mm 低畸變廣角相機(jī)、高精度防抖云臺(tái)以及1 英寸CMOS圖像傳感器，可錄制最高規(guī)格為4K 每秒60 幀的超高清視頻，能拍攝2000萬(wàn)像素JPEG以及無(wú)損RAW格式的照片；配備高能量密度智能飛行電池相高效率的動(dòng)力系統(tǒng)，最大水平飛行速度為20 m/s，最大飛行時(shí)間約為30 min。遙控器內(nèi)置全新一代雙頻高清圖傳地面端，與飛行器機(jī)身內(nèi)置的天空端配合，信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)7 km。

3.2 軟件支持

梧柳高速水土保持設(shè)施驗(yàn)收選用的矢量圖形處理軟件為地理信息系統(tǒng)軟件Arcgis10.5。Arcgis是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所在全面整合了GIS 與數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其他多方面的計(jì)算機(jī)主流技術(shù)之后推出的一個(gè)統(tǒng)一的地理信息平臺(tái)，它是一個(gè)工具箱的地理信息系統(tǒng)軟件，是我國(guó)GIS領(lǐng)域常用的商業(yè)軟件。

Arcgis桌面產(chǎn)品是一系列整合的應(yīng)用程序的總稱，其包含諸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox 及ArcGlobe 等在內(nèi)的用戶界面組件。其中ArcMap 是Arcgis 桌面產(chǎn)品中的一個(gè)主要應(yīng)用程序，它具有基于地圖的所有功能，包括制圖、地圖分析和編輯等。ArcMap可以用來(lái)瀏覽、編輯地圖圖形及基于地圖圖形的分析。

4 無(wú)人機(jī)和Arcgis在線性工程水土保持設(shè)施驗(yàn)收中的應(yīng)用

4.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取、Arcgis圖形處理及建模

梧柳高速建設(shè)過(guò)程中共設(shè)置棄渣場(chǎng)189 處，多設(shè)置在路線兩側(cè)的山坳、坡地或凹地。由于水土保持設(shè)施驗(yàn)收工作常在主體工程及水土保持設(shè)施接近完工時(shí)開(kāi)展，若以常規(guī)方法驅(qū)車前往每個(gè)棄渣場(chǎng)進(jìn)行核驗(yàn)，需通過(guò)高速公路匝口及通往棄渣場(chǎng)的棄渣道路才能到達(dá)，將消耗大量的人力物力。若采用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行航拍核驗(yàn)獲取圖像，并在內(nèi)業(yè)整理時(shí)采用Arcgis 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，會(huì)減少人力物力損耗，也會(huì)大大縮短現(xiàn)場(chǎng)勘查的時(shí)間。

以下以棄渣場(chǎng)為例，對(duì)梧柳高速水土保持設(shè)施驗(yàn)收中采用的無(wú)人機(jī)航飛技術(shù)和Arcgis地理信息處理技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)。

4.11 長(zhǎng)度及面積量測(cè)

利用無(wú)人機(jī)對(duì)單個(gè)棄渣場(chǎng)進(jìn)行低空正射影像拍攝，用Pix4Dmapper 軟件將原始影像碎片進(jìn)行拼接，可獲得完整的棄渣場(chǎng)正射影像（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 棄渣場(chǎng)低空正射影像碎片

圖2 拼接后單個(gè)棄渣場(chǎng)完整正射影像

拼接后的單個(gè)棄渣場(chǎng)正射影像為具有相應(yīng)坐標(biāo)系的矢量圖形，將其導(dǎo)入Arcgis 軟件的桌面應(yīng)用程序ArcMap 中，勾繪棄渣場(chǎng)外圍線或擋渣墻、截排水溝中線，便可進(jìn)行長(zhǎng)度和面積屬性提取（見(jiàn)圖3）。

圖3 基于Arcgis進(jìn)行圖形屬性提取

4.1.2 堆渣量量測(cè)

Arcgis提供的表面分析工具可進(jìn)行較復(fù)雜的表面分析，如創(chuàng)建等高線工具和體積工具可計(jì)算某個(gè)棄渣場(chǎng)底面以上的體積，從而估算棄渣場(chǎng)堆渣量。

圖4 圖像拼接—獲取數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)

在對(duì)棄渣場(chǎng)的無(wú)人機(jī)正射影像進(jìn)行拼接完畢后，可建立圖像模型，使用三維分析模塊的“表面體積”工具，可以計(jì)算相對(duì)于某個(gè)參考平面的二維面積、表面面積及體積（見(jiàn)圖4～圖6）。

圖5 等高線數(shù)據(jù)獲取

圖6 基于Arcgis堆渣量計(jì)算

4.2 規(guī)劃航線實(shí)現(xiàn)數(shù)字影像數(shù)據(jù)的獲得

常規(guī)手動(dòng)拍攝數(shù)字影像數(shù)據(jù)有其便利性及易上手等特點(diǎn)，但在地面參照物不明顯或飛行線路較長(zhǎng)、較復(fù)雜時(shí)，操作者很難判斷飛行路線，導(dǎo)致無(wú)法判斷飛行器所在位置。而此時(shí)規(guī)劃航線拍攝就以其準(zhǔn)確性及自動(dòng)化等特點(diǎn)，在線性工程航拍中得到更廣泛的應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括：將擬飛行區(qū)域范圍圖轉(zhuǎn)換為kml 文件，將kml 格式的擬飛行區(qū)域范圍圖導(dǎo)入飛行控制平臺(tái)Altizure，參照導(dǎo)入的擬飛行區(qū)域范圍圖利用Altizure 進(jìn)行航線規(guī)劃，根據(jù)設(shè)定任務(wù)自動(dòng)完成飛行拍攝。

5 結(jié)語(yǔ)

在梧柳高速水土保持設(shè)施驗(yàn)收過(guò)程中，為了解決項(xiàng)目涉及范圍廣、線路長(zhǎng)，棄渣場(chǎng)數(shù)量多、分布散，以及核驗(yàn)工程量大等問(wèn)題，我們?cè)谕鈽I(yè)勘查時(shí)利用無(wú)人機(jī)獲取關(guān)鍵圖形數(shù)據(jù)，并在內(nèi)業(yè)整理時(shí)利用Arcgis 軟件提供的地理信息處理功能，建立圖像空間模型，快速獲取關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)技術(shù)與Arcgis 地理信息技術(shù)的結(jié)合，提高了線性工程水土保持設(shè)施驗(yàn)收的工作效率和核驗(yàn)精度，可為其他類似工程提供借鑒。