無人機(jī)在航道管理中的快速判定應(yīng)用分析

林迪

作者簡(jiǎn)介：

林 迪（1984—），工程師，主要從事航道管理、無人機(jī)航測(cè)方面工作。

文章通過實(shí)踐分析，研究了消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在航道管理中的快速判定應(yīng)用，總結(jié)出直線法和三角法兩種可應(yīng)對(duì)多種情形的測(cè)算方法，可用于違建碼頭規(guī)模預(yù)估、界定采砂船舶是否違法進(jìn)入航道施工，以及測(cè)算施工船舶的作業(yè)位置、水上助航標(biāo)志配布位置間隔距離等方面工作。

航道管理;消費(fèi)級(jí)無人機(jī);直線法;三角法;快速判定

U612A572054

0 引言

無人機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，工業(yè)級(jí)無人機(jī)在行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域中朝著專業(yè)化應(yīng)用、定制級(jí)解決方案的方向發(fā)展，但受價(jià)格成本制約，在預(yù)算不足的單位難以推廣使用。普通的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)因性價(jià)比高和便攜性等優(yōu)點(diǎn)，目前在航道管理中基本已普及使用，不過其作用僅限于航拍取證方面[1-2]。經(jīng)過實(shí)踐測(cè)算分析，在使用無人機(jī)完成航拍取證之后，可進(jìn)一步利用操作系統(tǒng)中的“無人機(jī)與返航點(diǎn)距離”功能，對(duì)違法行為進(jìn)行快速判定，測(cè)算違建碼頭占用岸線長(zhǎng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)、界定采砂船舶是否進(jìn)入航道范圍內(nèi)，作為對(duì)違法行為后續(xù)處理的依據(jù);也可以用于測(cè)算施工船舶的作業(yè)位置，判斷其是否在規(guī)定的施工區(qū)域內(nèi);以及測(cè)算水上助航標(biāo)志配布位置間隔距離，判斷是否符合助航標(biāo)志配布方案的要求[3]。

1 無人機(jī)簡(jiǎn)介

采用大疆御pro鉑金版機(jī)型，操控界面如圖1所示。

圖1中，箭頭符號(hào)表示無人機(jī);箭尖為機(jī)頭航向;為返航點(diǎn)。

2 測(cè)量方法

根據(jù)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)所使用的交通工具、需測(cè)量的對(duì)象以及現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境情況，可使用直線法和三角法兩種方法。

2.1 直線法

直線法適用于測(cè)算使用船舶或車輛可直接抵達(dá)的碼頭、橋梁，以及能夠靠泊的采砂船，且測(cè)量對(duì)象周邊有適于無人機(jī)起降的場(chǎng)地。

2.1.1 測(cè)算碼頭占用岸線長(zhǎng)度

巡航發(fā)現(xiàn)某段岸線上正在進(jìn)行土地平整和岸坡堆填，疑似在建碼頭，工作船靠泊后使用無人機(jī)測(cè)算其占用岸線長(zhǎng)度，測(cè)算方法及步驟如下（圖2）：

（1）從返航點(diǎn)起飛，調(diào)整航向與碼頭岸線平行，飛到碼頭岸線起點(diǎn)A上空附近，通過遙控器云臺(tái)俯仰撥輪調(diào)整俯仰角度至-90°，進(jìn)入俯拍模式，再微調(diào)無人機(jī)位置使該點(diǎn)處于相機(jī)拍照框的中心，此時(shí)無人機(jī)即處于碼頭岸線起點(diǎn)A的正上方，記錄下點(diǎn)與該點(diǎn)距離數(shù)據(jù)（444 m）。

（2）調(diào)整航向角，使碼頭起點(diǎn)、終點(diǎn)以及點(diǎn)的航線連線平行于岸線，飛抵碼頭終點(diǎn)C的正上方，記錄下點(diǎn)與該點(diǎn)距離數(shù)據(jù)（67 m）。

（3）因點(diǎn)處于碼頭岸線起點(diǎn)與終點(diǎn)之間，上述兩數(shù)值之和即為碼頭岸線長(zhǎng)度（511 m）。

2.1.2 界定采砂船位置

巡航發(fā)現(xiàn)某采砂船在航道附近作業(yè)，該航段河面較寬，周圍沒有可供參考的示位標(biāo)，此時(shí)可用直線法掌握該采砂船的準(zhǔn)確位置，見圖2。

（1）無人機(jī)在采砂船起飛，返航點(diǎn)在采砂船上，調(diào)整航向角，使點(diǎn)與右側(cè)岸線A點(diǎn)的航線連線垂直于岸線，然后飛抵該點(diǎn)的正上方，記錄下點(diǎn)與A點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（502 m）。

（2）調(diào)整航向角，使無人機(jī)飛越采砂船位置點(diǎn)后繼續(xù)前進(jìn)至左岸線C點(diǎn)正上方，飛行過程中必須保持航向角不變，保證三個(gè)點(diǎn)處于同一直線上，記錄下點(diǎn)與C點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（284 m）。

（3）比對(duì)航道圖得知，該采砂船所處位置的航道左邊線與洪水期左岸線的距離為300 m，與右岸線的距離為480 m。結(jié)合無人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，該采砂船與航道左側(cè)邊線距離過近，對(duì)航道保護(hù)范圍和通航安全造成了影響，因此對(duì)其進(jìn)行警告并要求撤離。

2.1.3 界定施工船舶位置

某疏浚工程需要在丁壩的壩田內(nèi)進(jìn)行清淤作業(yè)，要求施工船舶不能超出丁壩區(qū)域施工，但因洪水期水位上漲淹沒丁壩，執(zhí)法人員在進(jìn)行施工監(jiān)管時(shí)難以判定施工船舶的作業(yè)位置是否超出范圍。由于沿線丁壩均有沿江公路連接，丁壩壩頭到公路的直線距離可在衛(wèi)星圖上測(cè)量得出，此時(shí)可使用直線法來測(cè)算確定施工船舶的位置。測(cè)算方法及步驟如下：

（1）沿公路找到施工船舶所在點(diǎn)與公路連線的一點(diǎn)，該點(diǎn)與施工船舶的連線與最近的丁壩平行，以此點(diǎn)作為返航點(diǎn)，起飛后飛抵施工船舶的正上方，記錄點(diǎn)與該點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，如圖3所示。

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)航拍照片，比對(duì)該施工船舶與所在壩田的最近的一條丁壩壩頭到公路的直線距離，測(cè)算施工船舶是否超出范圍作業(yè)。對(duì)該疏浚工程某天的施工監(jiān)管情況見圖4。由圖4可知，施工船舶A、C、D在壩田范圍內(nèi)作業(yè)，施工船舶B、E則超出了壩田范圍，因此對(duì)其進(jìn)行警告并要求撤回指定的施工區(qū)域。

2.1.4 水上助航標(biāo)志布設(shè)位置

某橋梁需要拋設(shè)橋區(qū)助航標(biāo)志，在橋址上下游約200 m處各設(shè)置一對(duì)發(fā)光水面?zhèn)让娓?biāo)，此時(shí)可使用直線法測(cè)算助航標(biāo)志拋設(shè)位置是否符合要求。測(cè)算方法為沿橋面找到與水面?zhèn)让娓?biāo)所在點(diǎn)的最短距離點(diǎn)，即浮標(biāo)所在點(diǎn)到橋面垂線的交點(diǎn)，以此點(diǎn)作為返航點(diǎn)，起飛后飛抵浮標(biāo)的正上方，記錄點(diǎn)與浮標(biāo)所在點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（170 m）。測(cè)量情況見圖5。經(jīng)對(duì)比可知該浮標(biāo)布設(shè)位置不符合要求，需進(jìn)行調(diào)整。

2.2 三角法

若測(cè)量對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)不適合無人機(jī)起降，或是不適合用直線法測(cè)量的情況，可使用三角法測(cè)量。

2.2.1 測(cè)算碼頭占用岸線長(zhǎng)度

某段岸線上正在進(jìn)行土地平整和岸坡堆填，疑似在建碼頭，由于交通不便，第一次測(cè)算時(shí)的無人機(jī)返航點(diǎn)選在對(duì)岸，測(cè)算方法及步驟如下（圖6）：

（1）從返航點(diǎn)點(diǎn)起飛，調(diào)整航向正對(duì)碼頭一端點(diǎn)A，飛到該點(diǎn)正上方，記錄下點(diǎn)與該點(diǎn)距離數(shù)據(jù)（397 m）。

（2）調(diào)整航向角指向碼頭另一端點(diǎn)C，因點(diǎn)到碼頭岸線AC垂線的垂足位于AC上，注意保持航線與碼頭岸線AC平行，在飛行過程中找出點(diǎn)與碼頭岸線AC最短距離交點(diǎn)B。為減少誤差，測(cè)量時(shí)需使用有直角的物品（如A4文件紙），貼近操控屏幕上的航線AC以及連線HB進(jìn)行校正，保證∠HBA為直角，找到垂足B點(diǎn)后記錄下點(diǎn)與該點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（360 m）。

（3）保持航向角不變，保證A、B、C三個(gè)點(diǎn)處于同一直線上，飛抵遠(yuǎn)端岸線C點(diǎn)的正上方，記錄下點(diǎn)與另一端岸線C點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（423 m）。

（4）綜合上述數(shù)據(jù)（如圖6所示），根據(jù)勾股定理可知AB=167 m、BC=222 m，計(jì)算得出該碼頭占用岸線長(zhǎng)度AC=389 m。

2.2.2 界定采砂船位置

在岸上發(fā)現(xiàn)某采砂船在航道附近停泊，可用三角法測(cè)算其到左岸及右岸的距離，掌握該采砂船的準(zhǔn)確位置，測(cè)算方法及步驟如下（圖7）：

（1）從返航點(diǎn)點(diǎn)起飛，調(diào)整航向正對(duì)采砂船，然后飛到采砂船正上方，記錄下點(diǎn)與采砂船位置A點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（781 m）。

（2）調(diào)整航向角，使采砂船位置A點(diǎn)與遠(yuǎn)端岸線C點(diǎn)的航線連線垂直于岸線，然后飛抵遠(yuǎn)端岸線C點(diǎn)的正上方，記錄下點(diǎn)與遠(yuǎn)端岸線C點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（972 m）。

（3）調(diào)整航向角，使無人機(jī)飛越采砂船位置A點(diǎn)后繼續(xù)前進(jìn)至近端岸線D點(diǎn)正上方，記錄下點(diǎn)與近端岸線D點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（522 m）。

（4）由于點(diǎn)到左右岸兩端連線CD垂線的垂足位于CD延長(zhǎng)線上，因此需保持航向角繼續(xù)前進(jìn)，找出點(diǎn)與CD延長(zhǎng)線最短距離交點(diǎn)B。為減少誤差，測(cè)量時(shí)需使用有直角的物品（如A4文件紙），貼近操控屏幕上的航線CD以及連線HB進(jìn)行校正，保證∠B為直角，找到垂足B點(diǎn)后記錄下點(diǎn)與岸線AC該點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（422 m）。步驟3和4的飛行過程中必須保持航向角不變，保證四個(gè)點(diǎn)處于同一直線上。

（5）綜合上述數(shù)據(jù)（如圖7所示），根據(jù)勾股定理計(jì)算出該采砂船到左岸線的距離為AC=216 m，到右岸線距離為AD=351 m。

（6）比對(duì)航道圖得知，該采砂船所處位置的航道左邊線與左岸線的距離為340 m，與右岸線的距離為220 m，結(jié)合無人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，該采砂船未影響通航。

2.2.3 水上助航標(biāo)志布設(shè)位置

某航道疏浚工程拋卸區(qū)位于某橋梁上游約500 m處，拋卸區(qū)靠航道一側(cè)長(zhǎng)度為180 m，需要配布一對(duì)發(fā)光水面?zhèn)让娓?biāo)，用于指引拋卸工作船及警示過往船舶，現(xiàn)使用三角法測(cè)算該標(biāo)志布設(shè)位置是否符合要求，測(cè)算方法及步驟如下：

（1）從點(diǎn)起飛，調(diào)整航向正對(duì)浮標(biāo)A后飛到其正上方，記錄下點(diǎn)與該點(diǎn)距離數(shù)據(jù)（313 m）。

（2）調(diào)整航向角，正對(duì)浮標(biāo)C后飛到其正上方，記錄下點(diǎn)與該點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（454 m）。

（3）保持航向角不變，飛抵橋梁正上方，記錄下點(diǎn)到浮標(biāo)A、C連線與橋梁交點(diǎn)D的距離數(shù)據(jù)（911 m）。

（4）調(diào)整航向角，按原航線折返，找出點(diǎn)與AC延長(zhǎng)線最短距離交點(diǎn)B，用A4文件紙貼近操控屏幕上的航線AC以及連線HB進(jìn)行校正，保證∠B為直角，找出垂足B后記錄下點(diǎn)與B點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)（122 m）。

（5）綜合上述數(shù)據(jù)（如圖8所示），根據(jù)勾股定理計(jì)算出浮標(biāo)A、C間距為149 m，浮標(biāo)C與橋梁距離為465 m，經(jīng)對(duì)比可知浮標(biāo)布設(shè)位置與要求有一定差距，需進(jìn)行調(diào)整。

3 無人機(jī)在航道管理中的快速判定應(yīng)用使用效果分析

經(jīng)過實(shí)踐分析，無人機(jī)操作系統(tǒng)中的“與返航點(diǎn)距離”功能在航道管理中一些需要快速判定的情形中，有著極佳的使用效果，其優(yōu)點(diǎn)有便捷、迅速、性價(jià)比高等。與全站儀等測(cè)量?jī)x器相比，單人即可完成操作，步驟簡(jiǎn)單易懂，測(cè)算作業(yè)耗時(shí)短，使用門檻低，且基本不受地形、交通工具等因素的制約;與帶測(cè)量功能的工業(yè)級(jí)無人機(jī)相比，目前市價(jià)千元級(jí)別的消費(fèi)級(jí)

無人機(jī)均帶有此項(xiàng)功能，可用于快速測(cè)算，性價(jià)比極高。

但無人機(jī)的局限性在于會(huì)受到天氣因素制約，雨天和大風(fēng)天氣時(shí)無法使用，且受無人機(jī)定位系統(tǒng)精度、遙控器與連接手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)以及周圍環(huán)境磁場(chǎng)影響，無人機(jī)與返航點(diǎn)距離數(shù)值會(huì)有一定誤差。不過誤差值在用于快速判定時(shí)是可以接受的，若后續(xù)有需要可使用更精確的儀器作進(jìn)一步測(cè)量。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)無人機(jī)在航道管理中的快速判定應(yīng)用進(jìn)行探索與實(shí)踐分析，總結(jié)出直線法和三角法兩種可應(yīng)對(duì)多種情形的測(cè)算方法，驗(yàn)證了無人機(jī)操作系統(tǒng)中的“與返航點(diǎn)距離”功能在航道管理中一些需要快速判定情形中的應(yīng)用有效性和可操作性，為航道管理探索出高效和高性價(jià)比的應(yīng)用方法。

[1]王飛雄.無人機(jī)在航道管理中的應(yīng)用淺析——以蘇州航道為例[J].交通企業(yè)管理，2020，35（2）：42-44.

[2]孫榮發(fā).無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在航道工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（10）：273-274.

[3]黃 湘，何 源，薛武申.無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)上的應(yīng)用研究[J].西部交通科技，2017（1）：98-101，108.