基于無人機技術的高速公路建設施工信息化管理應用研究

黃飛新，劉春峰，王 超

(1.廣東惠清高速公路有限公司，廣州 510960；2.江西交通職業技術學院，南昌 330013)

0 引言

隨著建設工程項目的日趨大型化、復雜化和國際化，信息的交流與傳遞日趨頻繁，各方面的信息鋪天蓋地，施工信息化管理的需求越來越高。面對如此宏大的施工信息化管理需求，傳統的管理模式、管理方法因其信息獲取率低、數據量少、安全性差、易受人主觀因素影響等，導致傳統的管理模式和管理方法難以滿足實際生產的要求，所以有必要借助于新一代的信息化技術，結合施工信息化管理的特征趨勢和新型施工信息化工具，尋找施工信息化的工程管理手段來解決工程項目管理存在的問題[1-3]。

隨著社會進步和技術發展，無人機超低空遙感技術備受關注，它以獲取觀測目標的空間位置、幾何、輻射、光譜信息為應用目標，以無人駕駛飛機為飛行平臺，以可見光相機、熱紅外相機等為傳感器[4]，具有獨特的空中鳥瞰視角，不僅具有基本無死角的全景影像，而且覆蓋范圍大，更適用于野外大型基礎設施的建設管理[5]。無人機技術在交通領域中的應用越來越廣泛，因此，本文通過對無人機技術在高速公路建設施工信息化管理方面的應用進行研究，并借助3S技術(GPS、RS、GIS)在系統中的集成應用，實現工程現場可視化、信息化、平臺化管理。管理者通過系統平臺可以隨時查看施工現場信息，及時掌控施工現場概況，為其提供決策參考依據。

1 建設項目概況

惠清高速公路位于廣東省中部地區，是廣東省高速公路規劃網“二橫”線—汕湛高速公路的重要組成部分，屬省重點建設項目。項目全線橋隧比超過50%，橋隧相連，結構較多，施工組織難度大，施工便道規劃、建設困難，工程建設與環境保護矛盾突出，項目隧道多且地質復雜，橋梁結構物多，與既有運營高速公路、鐵路交叉施工，安全管控敏感點多，管控難度大。項目跨越三市五縣區，位于珠三角，土地資源附加值高，土地供需矛盾突出，征地拆遷難度大。因此，為了進一步提高施工現場管理效率、降低人力和管理成本、減少安全事故，該項目開展了“基于無人機技術的高速公路建設施工信息化管理應用”，在施工現場開創性地使用新技術，借助無人機低空遙感技術，快速獲取高速公路建設施工現場數據信息，增加對“高、陡、滑、深”等復雜作業工點的檢查，減少人員在危險環境的作業，另外通過對現場原貌進行三維還原，實現數據可追溯。從工程質量、安全、進度及應急管理等四個方面實現項目建設的施工信息化管理，進而較好地保證了工程質量和工程進度。

2 基于無人機技術的高速公路建設管理總體部署

2.1 總體設計

根據高速公路建設管理的需求，利用無人機對施工現場進行數據采集，通過數據處理與應用分析，形成現場施工質量、安全、進度數據。一方面將數據信息存儲在數據庫服務器；另一方面，將現場信息展示于移動終端，指導管理人員做出合理決策，及時對現場發生的問題作出反應。當管理人員需要調取現場歷史信息時，可通過移動終端申請訪問數據庫。其具體的設計如圖1所示。

圖1 總體設計

2.2 管理方案

以高速公路建設施工信息化管理基本原理和工程實踐標準為依托，圍繞無人機技術應用和高速公路建設管理，研究兩者之間的契合點，分別從數據采集、數據處理、數據應用等三個方面開展研究。

2.2.1 數據采集

以地形數據采集為例，傳統的數據采集方式是通過人員使用儀器進行實地采樣，效率低且人力成本高。無人機作為一種新型的智能設備，具有機動靈活、大范圍采集數據、受地形限制小等優點，可快速采集現場信息數據，大大提高數據采集效率。但針對工程管理的具體需求，如何制定一套完整的數據采集作業流程，如何保證無人機的數據采集質量、安全自動巡線飛行，是亟需解決的問題。因此，以工程管理需求為導向，研究無人機搭載平臺和遙感器的業務應用方向、主要性能參數。借鑒傳統航空攝影測量的技術路線和規范要求，針對高速公路建設管理需求，制定施工信息化數據采集的規范化作業流程。

2.2.2 數據處理

數據處理是工程信息流的重要中間環節，接收無人機采集的多源信息數據。目前，數據處理流程中人工介入環節多，存在效率低、人為影響因素多等問題。為保證數據處理的高效率、自動化、低精度衰減，采用空中三角測量、計算機視覺、區域網平差技術對可見光影像數據進行處理。針對不同的應用場景，研究確定處理參數與工程管理需求之間的對應關系，形成規范化的處理流程。通過數據成果的表觀質量和精度情況，研究不同的傳感器對工程管理需求的響應程度，指導并優化數據采集階段遙感器的選擇。

2.2.3 數據應用

通過整理與分析惠清高速公路建設項目各分部分項工程施工規范、安全生產標準化手冊等資料，研究基于無人機技術的高速公路建設管理的關鍵指標，形成基于無人機技術的高速公路建設智能管理系統。針對數據處理生成的多種數字成果，研究工程質量、安全、進度及應急管理規范化數字成果的組成與提取方法。將規范化數字成果輸入智能管理系統進行關聯比對，評判現場施工質量、安全、進度情況，從而實現精細化、信息化管理。

2.3 工作流程

經過充分的理論研究和實地航測，總結出一套完整的無人機超低空攝影測量作業流程，主要流程如圖2所示。

圖2 無人機超低空攝影測量作業流程

3 工程進度管理應用

本文以惠清高速公路TJ17標段為例，利用無人機定期對該標段的工程施工進度進行數據采集，從而獲取該標段的工程進度信息，其具體的工程進度管理內容如表1所示。該標段全長11.604km。利用3人組成的信息采集小組，在TJ17標沿線布設5個地面控制點，使用GPS RTK測得控制點坐標數據，然后利用無人機快速采集施工現場數據，數據采集時間約為3h，共獲取航片數225張，飛行記錄如表2所示。

表1 無人機工程進度管理內容

表2 TJ17標某月飛行記錄

將航攝影像數據導入數據處理軟件，進行半自動化處理。4h內完成數據處理，生成三維點云數據和DOM，平面位置中誤差為±0.5m，符合《城市測量規范》中的1:2000正射影像圖精度要求(如圖3、圖4所示)，可作為全線進度管理的數據依據。基于生成的三維點云和DOM等數字成果，可進一步規范化數據提取，快速獲取施工現場拆遷進度、臨建建設完成情況、路基現狀高程、橋梁與涵洞開工情況等信息(表3)，從而有效建立施工現場與管理人員之間的數據鏈，為全線施工進度管理提供決策依據。

圖3 TJ17標某月無人機拆遷進度跟蹤1

圖4 TJ17標某月無人機拆遷進度跟蹤2

表3 無人機施工進度現狀

4 工程質量管理應用

4.1 邊坡工程

傳統方式須技術人員攜帶測量儀器實地對邊坡坡口線、坡率等進行質量檢測，獲取數據量少且危險性高。利用無人機超低空遙感技術進行邊坡施工現場信息采集，可及時發現質量隱患，減少工程損失。

以惠清高速公路TJ3標K65+940～K66+040段左側五級路塹邊坡為例，利用小型旋翼無人機Phantom4 Pro在1h內完成數據采集，獲取航片380張。將航攝影像數據導入數據處理軟件，進行半自動化處理。4h內完成數據處理，地面分辨率為0.73cm，平面位置中誤差為±0.03m，高程中誤差為±0.05m，符合《城市測量規范》中的1:500地形圖精度要求，可作為邊坡質量、安全、進度管理的數據依據。基于生成的高精度三維點云數據和DOM，可進一步對坡口線、坡率、坡高、平臺寬、安全防護情況進行提取分析，有效指導現場施工。

圖5 無人機邊坡管理數字成果

圖6 無人機邊坡管理開挖線與設計線對比

從圖5、圖6中可以發現：高邊坡實際坡口線與設計不一致，五級坡實際坡率比設計稍陡等，管理人員可第一時間發現問題，并及時督導現場人員進行整改，及時糾錯，避免了數百萬元的工程損失。

4.2 清淤換填

清淤換填的施工質量直接影響高速公路營運期間的路面沉降程度。目前，在清淤換填施工過程中，主要由測量人員使用全站儀、GPS RTK按照斷面法或網格法進行實地測量，對地表情況、高程進行記錄。這種對地形進行抽樣測量的方式，可獲取的數據量少，而且現場實測與后續數據處理需依靠人工完成，測量結果易受人員的技術水平和情緒影響。

利用無人機通過航線規劃可快速獲取清淤換填階段性數據。以惠清高速公路TJ1標BK55+320～BK55+410段清淤換填為例，通過自動化數據處理生成了高精度正射影像圖，獲取了cm級的地形數據，較大地提高了清淤換填數據獲取的效率，保證了數據的客觀性、真實性。

圖7 無人機清淤換填管理(換填后)

5 工程安全管理應用

邊坡穩定性影響因素主要包括邊坡坡體施工質量(邊坡開挖、錨固、排水工程等)和邊坡周邊環境對坡體的影響。施工過程中，由于缺乏對邊坡周邊大范圍環境信息采集的技術手段，往往忽視邊坡周邊環境對坡體穩定性的影響。

以惠清高速公路TJ4標一處高邊坡為例，利用無人機對邊坡本體及周邊環境信息進行采集，通過高精度三維建模，對邊坡上方的排水情況進行分析，發現兩處人為水溝，在雨量較大時，極易對坡體造成集中沖刷。管理人員根據無人機獲取的數據成果，及時對邊坡上方排水設施進行優化調整，有效避免了后續可能導致的工程損失。

另外，高速公路建設周期長，廣東地區雨季降雨量大，對正在開挖的邊坡易造成破壞，危及施工安全。無人機超低空遙感技術應用于應急救援現場信息獲取，可快速獲取邊坡滑塌后的地形情況，通過數據處理與分析，獲知滑塌面積、影響區域及滑塌方量，為應急人員、設備的有效投入提供數據依據。

圖8 無人機邊坡隱患管理

6 結論與展望

無人機低空遙感技術進行施工信息化管理在惠清高速公路的運用，有效提升了項目的管理效率，減少了安全風險，保證了工程質量，較好地保證了工程進度。

(1)進度上管理者“足不出戶”，在電腦上可直觀、全面了解工程建設；質量上提高對不易到達或觀察區域的檢查頻率，減少盲區。

(2)安全上降低人員到“高、陡、滑、深”等區域的作業頻率，減少安全隱患。

(3)數據可追溯性強，可以對歷史原貌三維重現，為項目建設運營提供數據支持。

目前由于受科技等條件的限制，管理的范圍與精度還受限，但隨著人工智能時代的到來，基于無人機技術的應用將會根據實際需求而逐步拓展，在此領域有極大的研究潛力和應用前景。對于未來如何選擇合適的搭載平臺與傳感器，有針對性地解決所需要監測的對象與問題，隨著技術的進步，實踐的深入，將會大有所為。這對于實現施工現場的施工信息化管理，實現實時動態監測，從而指導工程的科學管理、合理安排施工，推動綠色、智慧高速公路，具有重要的意義和實際應用價值。