市政道路公用工程中無人機航拍測繪技術的應用分析

韋雅妮，莫江濤

摘 要：介紹了在市政工程施工過程中，無人機（UAV）航拍測繪技術的數據在生產、安全檢查中的應用。結合工程案例，針對無人機測繪技術巡測距離遠、定位精度高、操作效率快、運營成本低等特點進行研究，以期為無人機在工程巡檢中的推廣應用提供參考。

關鍵詞：市政工程；安全巡檢；無人機；航測技術；應用分析

中圖分類號：TB22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）04-0082-03

1 技術概況

1.1 技術簡介

隨著近年來民用無人機技術的長足發(fā)展，其續(xù)航、操控及負載都有了突飛猛進的提高。不需要以往專業(yè)的額外掛載設備，民用無人機也能收集、獲取到高清高精的數據，為測量測繪領域創(chuàng)造了極大的便利條件，使得航測這種曾經“高高在上”的地理數據技術得以作為新的測量巡查手段。

目前其主要技術成果有傾斜攝影、DOM（數字正射影像圖）、DEM（數字高程模型圖）、全景、彩色云點、實景模型等。為此無論是項目前期策劃、生產過程監(jiān)控，還是安全巡查，采用無人機航拍測繪技術都可以有效地提升市政工程施工過程檢查的工作效率。

1.2 設備簡介

長期的課題實踐發(fā)現，“大疆”品牌的悟12.0無人機及御2 PRO 無人機的大小搭配，在工程應用中實用性更強。這套方案既便于攜帶、航時長（0.75 h以上）、高清、廣角互補，也能抗強風、抗較強電磁干擾，具備6向智能避障，確保了市政工程復雜環(huán)境下飛行安全，性價比高。

2 工程現狀及現場巡查技術難點

2.1 現狀調查

目前分公司市政工程主要集中在柳州市北部生態(tài)新區(qū)，經統(tǒng)計共8個在建項目，包含市政道路、管道、給水、電力、排污、園林等多個專業(yè)工程，項目包括超過危險性較大的分部分項工程，總造價共計1.1億元，分部廣路線復雜。北部生態(tài)新區(qū)項目分布圖如圖1。

要完成全覆蓋現場巡檢，只能分不同時間多次開展。同時分公司質量安全部對5～7月項目巡檢情況進行統(tǒng)計，覆蓋率僅為70.83%，無法達到全覆蓋要求。

2.2 巡查技術難點

最優(yōu)化的巡檢路線要保證該區(qū)域能被完全覆蓋。經實踐，現場巡查想要達成該效果總用時需4 d，開車檢查總里程累計需200 km左右，需要大量巡檢時間。且由于人的視線及記憶有局限性，現場踏勘過程中拍攝的影像資料往往和平面定位無法一一對應，容易造成漏檢。

在傳統(tǒng)現場踏勘巡檢中，為了解決此問題，只有通過現場不斷移動和多角度拍攝才能彌補此問題的不足。無視線遮蔽物的項目尚好，而那些現場復雜的項目將消耗檢查人員的大量時間。收集的信息雜亂，往往回到辦公室才能整理歸檔，過程中又有可能造成缺漏，不利于對現場安全巡檢隱患的排查及整改復核。經集體討論研究以及實地實踐通過比選，一致認為，在巡檢中應用無人機更有優(yōu)勢，因此對北部生態(tài)新區(qū)8個項目采用無人機飛行巡檢[1]。

3 無人機的應用

3.1 方案比選及巡檢規(guī)劃

3.1.1起降場地的選擇

區(qū)域內南面有山脈阻隔最高海拔為230 m，8個項目呈由中心向四周發(fā)散的分布，區(qū)域內高層建筑物集中在沙塘鎮(zhèn)南北走向的條狀區(qū)域，8個項目被分割開來。為此起降場地必須在相對海拔高的建筑物上起飛。而“北部生態(tài)新區(qū)創(chuàng)業(yè)園1#～11#室外景觀工程”在區(qū)域中心，項目內有高層建筑滿足各項要求，為此起降場地高最終在8個分散的項目中選取“北部生態(tài)新區(qū)創(chuàng)業(yè)園1#～11#室外景觀工程”作為巡檢中心點及起降點。其優(yōu)點有：①在8個項目中居中。②該項目主體建筑5#樓為附近區(qū)域（半徑5 km）最高建筑，樓頂視野開闊，無復雜的信號遮擋源，有利于無人機飛行控制過程中的安全。③起飛平臺開闊，水、電使用及后勤保障方便。

3.1.2拍攝方式航線規(guī)劃的選擇

選好起降場后，要進行航線規(guī)劃的比選。在大疆航線規(guī)劃軟件DJI PILOT 中，對采用航帶飛行路線、航線飛行路線、航點飛行路線拍攝全景圖這三個方案進行了討論。

如圖2是航帶飛行路線，其優(yōu)點為：①航線簡單，通常為一條航線。②飛行用時少，單塊電池利用率高，5～6塊動力電池便可完成8各項目的飛行巡檢。③照片拍攝數量少，照片篩選時間短。④電腦運行生成DOM（數字正射影像圖）、DEM（數字高程模型圖）用時少。其缺點為：DOM圖及DEM圖成圖分辨率較低，在1∶3000～1∶2000。

航線飛行路線優(yōu)點有：①照片重疊率高。②電腦運行生成的DOM（數字正射影像圖）、DEM（數字高程模型圖）質量高。③成果影像細節(jié)豐富。④高程圖誤差相對較小。缺點為：①拍攝區(qū)域往返航線多，通常為5～6條。②電池消耗量大，往往單個項目便可消耗3塊動力電池。③巡檢用時長，往往一個上午僅能完成兩個項目的巡查。④照片影像資料大，電腦生成成果用時長，在以往的實踐中，1 d僅能生成一個項目的成圖成果。

航點飛行路線拍攝全景圖優(yōu)點為：①航線簡單，可針對檢查需要對不同區(qū)域進行定點拍攝。②設置好航點任務后，可在拍攝后無人機自主生成全景照片，極為方便后期內業(yè)導入720云。其缺點為：①對長距離施工的項目，其照片拍攝任務量巨大，單航點一張全景圖的生成便需要拍攝26張照片，與航帶圖相比28個航點便需728張。②全景拍攝航點多滯空時間長，電池消耗大效率低。③拍攝用時長造成項目巡檢效率極低。

3.2 制定技術對策

經過比選發(fā)現三個方案各有優(yōu)缺點，經討論分析最終一致決定，將三個方案有針對性地應用在不同項目上，編制成8個項目總的無人機選件規(guī)劃實施方案。

3.2.1 航帶規(guī)劃

針對市政道路、管網、電力、給水工程，采用航帶規(guī)劃。其具體實施對策如下：第一，根據攝影測量規(guī)范，結合分區(qū)的地形條件，測圖等高距，考慮基高比，綜合考慮成本、效率、效果等因素，確定地面分辨率（GSD）為7 cm，采用大疆悟12.0無人機，續(xù)航時間30 min。

第二，在作業(yè)期限內，航攝時間的確定需要是以下要求：①大氣透明度好，光照充足。②地表植被及其覆蓋物對攝影成圖影像最小。③考慮太陽高度角與陰影倍數，盡量在正午前后3 h作業(yè)。④在風速小于4級，陣風小于5級的時候進行航測。

第三，因此類項目多為地勢平緩的道路周邊，航空攝影基本技術指標可設為：①所獲取影像為全真色彩的平面1∶2000的DOM（數字正射影像圖）。②航線按管路、線路中心線敷設，要求一張航片覆蓋一幅圖，航向重疊50%～50%，旁向重疊50%～50%，滿足正常的邊緣無畸變平面影像地圖為準。③為避免地表反射光線，降低無人機鏡頭進光亮，可安裝偏正鏡頭蓋[2]。

3.2.2航線規(guī)劃與航點+全景攝影相結合

針對室外景觀、LNG氣站這類有超危大工程的項目，采用航線規(guī)劃與航點+全景攝影相結合。其具體實施對策如下：第一，根據攝影測量規(guī)范，結合分區(qū)的地形條件，測圖等高距，考慮基高比，綜合考慮成本、效率、效果等因素，確定地面分辨率（GSD）為4 cm，采用大疆御2 PRO無人機，擴容電池，續(xù)航時間50 min。

第二，在作業(yè)期限內，航攝時間的確定需要是以下要求：①大氣透明度好，光照充足。②地表植被及其覆蓋物對攝影成圖影像較小，重點部位可通過航點全景攝影彌補。③考慮太陽高度角與陰影倍數的限制要求較低，可通過后期調光彌補，夏季可在8：30～18：00范圍內作業(yè)。④在風速小于4級的時候進行航測。

第三，此類項目周邊環(huán)境復雜存在丘陵、高壓電塔、高層住宅樓、移動信號塔。為此航空攝影基本技術指標因特別注意：①巡檢過程全程開啟無人機6向智能避障功能，避免撞擊障礙物，造成墜機傷人。②所獲取影像為全真色彩的平面1∶1000的DOM（數字正射影像圖）及DEM（數字高程模型圖）。③航線按項目施工及毗鄰區(qū)域全覆蓋S型敷設，要求一張航片覆蓋一幅圖，航向重疊60%～70%，旁向重疊60%～70%，滿足基礎距離測量、高程測量，可視范圍安全防護設施外觀觀測。操作流程如圖3。

3.3 技術對策實施及成果檢查

3.3.1巡檢實施流程

編制了具體實施流程及針對性的航線規(guī)劃后，開始以“北部生態(tài)新區(qū)創(chuàng)業(yè)園A1#～A11#室外景觀工程”作為巡檢中心點于8月中旬對8項目開展航攝巡檢。在確保安全返航電量的前提下，長線項目平均用時30 min，點面項目平均用時40 min，8個項目總用時300 min（5 h）。內業(yè)影像處理階段為縮短成圖用時，采用兩臺中等配置電腦進行空三加密及數字影像圖處理，經統(tǒng)計總用時37 h，便可完成8個項目建圖工作。

3.3.2成果質量檢查及管理應用

抽取4個項目工程進行成果質量檢查。成圖后通過PIX4D軟件的二次調繪，四個項目的DOM（數字正射影像圖）在各項目施工區(qū)域內的圖像分辨率和畸變情況均滿足巡檢觀測要求。隨后通過在巡檢的起降現場實施圖片檢查，便排查了8個項目中的現場36條安全隱患，圖4為局部隱患突出的圖例。再通過后期對各項目DOM圖的檢查，首次無人機檢查便排查出現場安全隱患12類，87處安全隱患。小組成員要求各項目按期整改消除隱患，閉合后再用無人機復查，隱患整改得到了有效落實。但DOM圖也有其局限性，無法觀測高度。對基坑、管溝此類工程便無法有效觀測其大致開挖深度，對其邊坡防護是否符合要求無法判斷。這時建模時同時生成的DEM（數字高程模型圖）便可提供管理應用的參考。

3.3.2.1 江灣大道供水管網工程

通過對DEM與DOM圖的分析，可知該路段北高南低，東高西低。已開挖的管溝與低洼區(qū)域毗連，在下雨時極易在整條已開挖的管溝內窩水且不易排出，造成管溝塌方。在誤工的同時，也會對下溝作業(yè)人員形成安全風險。為此在分析完畢后，通知該項目及時整改，并要求開挖后續(xù)管溝時，鉤機將土堆放在管溝西側，防止雨水倒灌。

3.3.2.2 沙塘LNG氣站工程

該項目LNG儲罐基礎開挖深度＞5 m屬超危大工程，其東北角為在施擋土墻。從圖4可看出，坡頂到坑底絕對高程差為-19 m左右（絕對高度106～125 m）。經DOM圖與DEM圖相比較（見圖4），可發(fā)現基坑上方為沖孔樁的泥漿池，邊坡極其不穩(wěn)定，基礎開挖工序若繼續(xù)施工，將會造成重大的邊坡坍塌事故。為此小組成員及時要求該施工區(qū)域停止開挖，與項目合作方及時溝通，落實了先完成樁施工，落實邊坡防護后再對該部位基礎進行開挖。

4 結語

本次航測巡檢活動，小組成員全面掌握了小型無人機航測安全巡檢在市政工程中的應用。在解決問題的過程中，以工程實際和應用數據為依據，在作業(yè)過程中找出了問題的癥結，分析原因，制定對策，使小組成員解決、分析問題的能力得到了顯著提高。同時提高了該區(qū)域項目的安全巡檢效率，整改落實情況可追溯性更強，檢查覆蓋率由原來的平均70.83%提高到了100%，得到了合作方的一致好評。

參考文獻

[1] 曲林，馬洋，支玲美，等.基于無人機傾斜攝影數據的實景三維建模研究[J].測繪與空間地理信息，2015（3）：38-39+43.

[2] 李世興，莫江濤.無人機攝影測量技術應用于電力配網改造項目中的研究[J].建筑施工，2019（6）：1116-1117+1132.