天狼星Sirius Pro無人機在高鐵施工中的應用

白芝勇，杜君偉

(中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

測繪4.0：拓普康索佳應用方案專欄

天狼星Sirius Pro無人機在高鐵施工中的應用

白芝勇，杜君偉

(中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

主要闡述了利用天狼星Sirius Pro無人機為項目施工提供高分辨率、高精度的DOM和DEM影像圖、數字地表模型(DSM)，對銀西鐵路YXZQ-4標段施工中遇到的一些問題提供了更好、更高效的解決途徑。

無人機；數字地表模型；數據處理；影響分析

無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)是一種由動力驅動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器。天狼星Sirius Pro無人機是一款搭載垂直攝影平臺的免像控低空無人機飛行系統，它有著起飛方式簡單、適應能力強、能隨時切換操作模式并實現自動化的降落等特點。面對地形復雜、環境條件差等因素的銀西鐵路慶陽段教子川特大橋施工前期規劃難題，利用該無人機對該施工區域進行低空航空攝影測量，為施工單位提供現時性強、精度高的數字地表模型(DSM)，利用相關軟件進行分析提取，為施工單位前期施工帶來極大的方便。

1 工程概況

銀西鐵路教子川特大橋是屬于銀西鐵路甘寧段4標的一項重點工程。該橋位于兩座長隧道中間，起著連接作用，又橫跨G211高速公路，墩身較高，施工難度大,位于兩座山之間的峽谷地帶，周圍房屋錯落，道路交錯，環境復雜，還有高邊坡防護，因此前期的施工規劃相當重要。但是由于傳統的測量方法效率低下，耗時耗力，影響施工的進度，因此采用無人機航測為施工帶來便捷。

2 外業數據的采集

無人機高分辨率的影像獲取，必須進行野外現場實地飛行，這區別于衛星遙感影像，因此要解決施工難題，首先應該進行外業數據的采集。

2.1 制定飛行計劃

根據對現場情況的初步了解及衛星遙感影像的分析，利用MAVinci Desktop軟件進行無人機飛行計劃的制定。

(1) 進入軟件，新建工程項目。

(2) 新建飛行計劃(如圖1所示)。框選合適的飛行區域，設置好相關參數，然后計算飛行計劃。在此過程中應該明確飛機的飛行高度、地面采樣距離、航向和旁向重疊率、飛行方式等問題。

圖1 制定飛行計劃

2.2 執行飛行計劃(飛行作業)

(1) 安裝好無人機設備并檢查，確保一切正常后，上傳已經制定好的飛行計劃，確認無人機已加載該計劃。

(2) 按正確方式放飛無人機，利用地面控制軟件觀察飛機的飛行姿態和任務進展，確保無人機的安全和任務的順利進行。

(3) 飛行任務結束后，操作無人機降落在預先選定的場地，外業數據采集完成。

3 數據后處理

在外業的飛行任務完成以后，需要對獲取的高清相片進行處理，通過相關軟件生成具有多用途的DOM和DEM影像圖。

3.1 飛行相片與飛機實時的RTK點位數據進行匹配

飛行任務結束后，無人機機載系統會自動下傳每一張相片對應的多個點位數據信息ftp文件xx.plg。飛機降落以后，取出相機卡槽中的SD卡，插入電腦。生成匹配，選擇當次飛行的ftp文件和對應的照片，設置適當的存儲位置，完成匹配。

3.2 利用PhotoScan軟件生成DOM、DEM影像圖

匹配生成以后，選擇合適的坐標系，輸入基準站坐標，導出到后處理軟件PhotoScan。進入PhotoScan軟件，利用MAVinci小插件進行無地面像控點的一鍵式后處理，設置完成后，軟件自動運行，不定期地查看運行狀態，確保數據處理的及時和正確。處理完成后導出整圖幅的DOM和DEM影像圖，在導出時一定勾選導出世界文件(如圖2、圖3所示)。

圖2 教子川特大橋DOM影像

圖3 教子川特大橋DEM影像

4 為施工問題提出解決方案

通過無人機獲取到DOM和DEM影像圖后，利用Virtual Surveyor軟件對其進行處理，生成直觀精確的數字地表模型(DSM)，為現場施工的一些問題進行分析，通過影像圖提取和規劃出合理的解決方案。

4.1 利用Virtual Surveyor軟件生成DSM

新建地形模型，選擇合適的DOM和DEM，生成數字地表模型DSM。生成后加載該模型，進入3D視圖模式，可以查看該區域的原始地貌情況，對地形地貌和特征建筑有初步的了解。

4.2 施工場地布置

在Virtual Surveyor軟件生成DSM后，利用軟件功能可以生成地形圖和地表水流向圖等，據此可以科學合理地布置駐地場所和加工廠等施工臨建的選址，確保臨建場地處于安全地帶，不受強降雨或大風等惡劣天氣的影響。根據DSM可以獲得線路周邊和施工場地周圍的地形地貌特征，確定可利用的施工場地，更加合理地利用有限的土地資源。

4.3 施工便道的選取

在3D模式下，根據地形變化和周圍環境的分析，初步選取多條施工便道并畫線，對每條線進行左右10 m邊距的特征點提取并命名獨立文件保存，導出此類文件，利用CAD等工程類軟件進行線路規劃、坡度分析和確定線路。Virtual Surveyor提取的特征點具有與地表模型相同的坐標系統下的坐標和高程數據，在數據后處理時采用的坐標系統與施工坐標系是一致的，因此提取的特征點可以直接用于施工規劃和前期策劃。

4.4 填挖方量的統計

教子川特大橋位于兩座山之間的峽谷地帶，其中有一部分緊靠山體，因此為了運行的安全，設計了五級邊坡防護山體變形發生的危險。施工前應對填挖方量作初步統計，而復雜的地形條件給該項工作帶來了很大的不便。利用Virtual Surveyor軟件和DSM模型，可以輕松地完成該項工作。在軟件中，利用設計提供的每級邊坡的邊線坐標，可以選定每級邊坡在DSM中的位置，給定邊坡頂面高程面為基準面，就可以計算出相對應的填挖方量，每級邊坡計算完成后，統計總的填挖方量。同樣的原理，為該標段的賈塬隧道二號斜井砟場進行了方量的計算，結果為48.72萬m3，大于預計填空量48.02萬m3，確定該砟場可用。

4.5 施工管理

無人機飛行產生的成果可以幫助施工單位更加有效地管理整個項目的進度，提升質量管控力度和水平。通過對不同時間節點兩次飛行成果的比對，可以很清晰地發現項目施工的整體進度及施工現狀，對未來施工計劃和進度作出更合理的規劃(如圖4所示)。飛行后生成的DSM可以在3D模式下查看工程已完成的狀況和周邊地形的變化，提取結構物的位置坐標、中心點位坐標等特征點坐標，可以檢查施工質量和施工進度。

圖4

5 結 語

本文通過對天狼星無人機的介紹，引出無人機在工程施工領域發揮的作用，通過引入實例，分析了天狼星無人機在高速鐵路施工中的幾點應用。

隨著無人機和低空攝影測量技術的不斷發展，無人機在工程施工領域的應用會更加廣泛。隨著無人機機載設備的不斷發展，精度不斷提高，可以替代傳統的測量方式實現橋梁的變形監測。小型的多旋翼無人機掛載三維掃描設備，可以實現隧道洞內斷面的檢查和驗收。隨著技術的革新及科技的發展，筆者相信不久將可以實現無人機大規模應用于施工現場，實現向信息化智能化的生產模式轉變。

Application of UAV Sirius Pro in Construction of High-speed Rail

BAI Zhiyong，DU Junwei

(The Fifth Engineering Co. Ltd. of CRFG Baoji,Baoji 721006，China)

This paper describes the use of UAV Sirius Pro to provide the construction of the project with high resolution and precision DOM, DEM and DSM, which then help to provide more efficient solutions for engineering challenges encountered in the construction of the YXZQ-4 Section of Yinchuan-Xi’an Railway

UAV；digital surface model；data processing；impact analysis