小型無人機技術在河道治理工程中的應用研究

楊玉川，楊興國，周順文，王小波

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072； 2.四川大學，四川 成都610065)

無人機技術作為一項獲取空間數據的重要手段，具有適用地形廣泛、影像實時傳輸、高危地區探測、成本低、快速高效、使用機動靈活，以及用于補充地面測量、衛星遙感和有人機航空測量等大、中比例尺測圖等優勢[1-2]。目前無人機技術已經廣泛應用于遙感測繪領域[3-4]、應急和搶險救災[5]，工程結構[6]、管線工程[7]、市政工程[8]、水利工程[9]等眾多領域。尤其在遙感測繪領域，如2003年國內第一次大面積使用無人機技術，獲取了威海市六十多萬平方公里的遙感數據。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，無人機均扮演重要角色，獲取了人員不可到達區域的寶貴救援資料，為救援、災情評估提供有利依據，極大幫助了抗震救災工作。

目前國內外眾多學者都對無人機航測技術各方面進行了系統性的研究，如程崇木等[11]對影響固定翼無人機航空攝影系統最終產品質量的主要因素進行分析,并提出提高無人機測量精度的解決方法；李玉成與鄒曉列[12]通過對實際無人機影像數據的精度對比分析，證實無人機低空攝影測量能夠滿足繪制1 ∶1 000地形圖的精度要求；周磊等[13]通過研究GPS實時動態差分技術和數據后處理等關鍵技術，實現了固定翼無人機航攝系統在山區丘陵和城區居民地兩種復雜地形的1 ∶500大比例尺DOM和DEM的繪制，等等。但目前利用無人機航測技術在河道治理工程中的應用研究較少。

無人機技術在河道治理工程中具有得天獨厚的優勢，由于城市河道植被覆蓋較少且范圍一般不大，因此利用無人機航攝可快速獲取基本無遮擋的全景圖像，而且通過對航拍圖像的后期處理，可以獲得目標區域的三維全景圖、三維地形圖、正射影像數據和數字高程模型等。由于無人機操作方便且可快速得到相應地形數據，因此采用該技術有助于進行河道治理方案設計，加快工程進度。另外，對于一切露天的巖土工程包括水環境、新能源、市政工程等領域，無人機技術均可輔助進行前期勘測、施工設計、后期監測，以及效果展示等工作。

1 無人機攝影技術

以無人機航測、圖像處理軟件及谷歌地球軟件為主要技術手段，系統分析如何利用無人機獲取的航拍圖像來解決工程問題。

1.1 無人機航測

無人機航測技術不僅可以利用高分辨率相機系統獲取遙感影像，而且利用空中和地面控制設備可實現影像自動拍攝和獲取。世界上有用途多樣的無人機，續航時間從幾分鐘到幾小時不等，本文使用的是大疆公司生產的精靈系列無人機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現無人機對指定區域的航拍，該無人機的主要技術指標如表1所示。

圖1 無人機Phantom 3S航測主要過程

表1 無人機Phantom 3S關鍵指標

結合無人機航拍特點，使用易操控的飛控軟件即可實現對目標區域地形的實時掃描。通過設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雜、面積大等特點，有時基本沒有相關地形資料，傳統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建目標地形三維場景的解決方案，小型無人機具有明顯的優勢。

1.2.1 三維地形圖處理

航攝影像采集需要通過其他技術處理轉換成地形信息，目前有很多方法可以實現這個過程，本文選擇Pix4Dmapper軟件處理無人機航拍圖像進行三維建模。該軟件操作的主要思路是：先利用無人機獲取地物、地表影像，之后采用該軟件可迅速構建地形的三維模型，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，利用無人機航拍圖像，保證一定的航向和旁向重疊率后，即可通過Pix4Dmapper軟件建立數字正射影像圖、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、虛擬真實的特點，逐漸成為一種新穎的地理信息數據[14]。借助相關軟件，采用無人機可以快速地獲取空中、地面、水面等復雜場景的高分辨率全景影像。利用無人機技術制作的空中全景具有分辨率高、場景大、視角范圍廣，以及能更好地顯示立體三維效果的特點，其具體的操作流程如圖3所示。

圖3 無人機全景圖制作流程

由圖3可知，對于空中全景影像數據以無人機航拍的同一視點的照片素材為基礎，屬于共心圖像，多幅圖像同用一個攝影中心，拍攝時相鄰圖像保證重疊度達到30%以上即可。并采用基于圖像特征點的拼接方法，不僅計算量低，而且配準精度高。

1.3 谷歌地球軟件

由于Google earth軟件自身提供的地形照片數據為衛星照片，在精確度上往往很差，且絕大部分不具備最新的時效性。考慮到設計工作有時需要最新且精確的地形數據，可采用近年來較為常見的無人機航測技術對特定區域地形進行航攝。經實踐證明，依據航攝影像建立的三維地形誤差多在10 cm級[11-13]。鑒于許多工程前期勘測及施工設計的精度要求，航測建立的小區域大比例尺(1 ∶1 000)地形圖完全可以滿足很多設計工作要求。

無人機飛行獲取的遙感數據，可以替代模糊的Google earth自身衛星地圖，實現真正的實時性與高精度，將地形地貌、滑坡災害和基礎地質等相關數據進行統一存儲和管理。具體方法是：利用Google earth軟件的測量功能，結合Pix4Dmapper軟件生成特定區域的KML文件，可分析目標區域的長度、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據

由圖4可知，借助于無人機航拍，可獲取小區域該堰塞湖壩體的三維地形數據，利用Pix4Dmapper軟件生成的谷歌瓦片文件，可導入到谷歌地圖軟件，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某河道的清淤及護堤修復工作為例，介紹無人機在河道治理中的應用。

2.1 河道疏浚

對于清淤工作，調查目標河段淤積點的具體信息包括：淤積位置、高度、方量，以及施工道路布置、淤積物堆放等。工作前期僅采用現場尺子測量，工作速度極其緩慢，而且很難測準。如請專門的測量公司，其要價昂貴且采用RTK打點測量速度也不快，精準度也不高。最后，確定借助無人機技術來解決該問題，利用無人機獲得的目標河段三維地形數據來統計各淤積點的特征信息，之后，使用三維地形來規劃場內道路布置及淤積物堆放問題。

2.1.1 河段清淤點統計

對目標河段進行航線劃定，保證航線之間合理的航拍重疊率，采集目標區域的航拍照片。本文處理的河段共采集239張航拍照片，將其導入Pix4Dmapper軟件內，如圖5所示。

圖5 某河段的航拍圖像

將航拍圖像導入處理軟件后，該軟件即可進行自動化處理，依據圖像間的特征點即可解譯出地形的三維點云數據，如圖6所示。

圖6 該河段航拍圖像三維點云數據

航拍圖像經過該軟件處理后，可以生成三維點云數據。經軟件最終處理后，航拍圖像的分別率為2.49 cm，可生成數字正射影像圖(DOM)、數字高程模型(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據

由圖7(a)可知，基于該河段的正攝影圖，目標區域共有5個大的淤積點位。圖7(b)可采用CAD 軟件統計出淤積點的淤積特征，在這里利用Pix4Dmapper軟件生成的谷歌瓦片文件來統計淤積點的特征信息。

采用無人機航拍技術對研究區間進行航拍攝影后，最終將處理生成的谷歌瓦片文件導入谷歌地圖，如圖8所示，借助其方便快捷的測量功能，可以快速地獲得各淤積點的長度、寬度、面積等基本信息(以3號淤積點為例)。

圖8 淤積河段的三維地形地圖數據

由圖8可知，借助Google earth的測量功能，可方便獲得1～5號點的淤積面積，這是估算淤積方量非常重要的計算指標，之后利用每一個淤積點的數字高程模型DEM，可以估算出淤積點在水面上的平均淤積高度。最后，結合水下淤積深度即可比較準確估算出淤積點的清淤方量，如表2所示。

表2 河段淤積量統計

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

2.1.2 清淤道路及堆放場地布置

對于河道清淤工作而言，淤積點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地布置問題。利用無人機對目標區域獲得的全景圖即可方便考慮上述問題，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行堆渣，最終選定1號淤積點右側的位置進行堆渣，而旁邊的道路為施工便道，具體布置情況如圖10所示。

工程主要涉及目標河段左右岸淤積物，右岸1號淤積點全長大約218 m，左岸2號淤積點全長約275 m，清淤深度至水下0.5 m，對于清淤后淤積物通過施工便道堆積到旁邊的堆積點，具體平面布置見圖10。

圖10 淤積河段的施工便道及渣場布置

如圖10所示，1號點施工便道從河濱路開口，施工便道長度約106 m，2號點施工便道通過從1號清淤點填土埋管進行施工通道布置，設計長度約31 m。施工時先疏浚2號點，通過設計的施工通道運送淤泥至1號點旁的指定堆積點，之后疏浚1號淤泥點。其他三個淤積點淤泥通過河道左右兩邊的河濱路運送至指定渣場。

2.2 河道護堤修復

城市河道由于常年河水沖刷，會導致部分河段護堤出現破壞現象，這就需要定期進行維修加固。研究河段由于位于河道的凹岸，由于長期河水沖刷，導致部分河道護堤沖毀嚴重，如圖11所示。

圖11 河段護堤破壞情況

由圖11可知，由于河流長期沖刷，該處護堤損壞嚴重，為了保證河道安全，急需采取工程措施加固損壞的護堤。利用無人機掃描技術即可方便快速獲得該處的數字正射影像圖DOM，如圖12所示。

由圖12可知，護堤施工圍堰主體采用黏土夯實，迎水面鋪設一層防滲土工膜，其外側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。其中部分河段利用現狀河堤作為臨時施工圍堰，減少圍堰填筑量。

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

圖12 破壞護堤河段的三維數字正攝影

圖13 該河段等高距為1 m的等高線

由圖13可知，河道護提治理的大概長度以及治理的大致深度，決定對現狀已開裂段進行拆除重建，利用拆除原條石砌筑。對于42.5 m范圍河堤腳進行保護，采用40 cm厚面板100 cm×80 cm護腳進行防沖刷保護，設計斷面如圖14所示。

由圖8、圖10以及圖14可知，利用無人機技術獲取研究河道的三維地形數據不僅可以對淤積方量進行準確地估算，而且可以輔助進行相關設計工作，使設計工作更加方便快捷。

圖14 河堤治理的典型斷面(單位：cm)

3 結論與展望

通過對無人機航測技術在河道治理工程中的應用嘗試，顯示了該技術在前期勘測及工程設計中的優勢，本文主要結論如下：

(1)合理利用無人機技術，可以大大節約工程的勘測時間，提高工作效率。

(2)無人機航測技術可以輔助進行工程設計，方便快捷地進行施工場地和道路布置，大大加快了工程進度。

(3)對河道工程綜合分析可知，無人機技術可應用于工程全生命周期中，包括前期勘測、施工階段應用、工程后期監測及效果展示。

當然，無人機技術應用絕不僅限于河道治理，對于其他工程，如地質災害普查、水土保持、環境工程、新能源等領域，無人機技術均可輔助進行相關工作，相信未來在眾多工程領域無人機的應用會越來越廣。