無人機(jī)在電廠進(jìn)站道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

樂志豪，何 強(qiáng)，任 彪，姜加喜

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041）

道路勘測設(shè)計(jì)項(xiàng)目的攝影測量手段逐漸從高空到低空,有人到無人,正射到傾斜。小型無人機(jī)航測系統(tǒng)在公路勘察設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用,隨著其成本的下降,較低的投入成本即可自主展開工作,不用再委托專業(yè)航測單位,時效性強(qiáng)、自主可控[1]。李德仁[2]等通過描述無人機(jī)遙感系統(tǒng)在大量相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)踐,展望了其應(yīng)用的廣闊前景。勘察設(shè)計(jì)單位已逐漸從單純依靠外業(yè)人工單點(diǎn)勘測作業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槔脽o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。相詩堯[3]等對無人機(jī)航測技術(shù)在公路各設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。尹恒[4]等介紹了無人機(jī)航測技術(shù)在帶狀地形測繪、地災(zāi)調(diào)查、土方量算和征地糾紛等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。史華林[5]、張浩[6]、魏方震[7]、劉藝[8]等在新建道路勘測中對無人機(jī)進(jìn)行了很好的應(yīng)用。羅博仁[9]、潘成軍[10]等分別在公路改擴(kuò)建勘測和城市道路現(xiàn)狀地形圖測繪中進(jìn)行了實(shí)踐。周冰[11]等將無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于電廠地形圖測量中,并進(jìn)行了精度分析。然而,利用無人機(jī)對電廠進(jìn)站道路進(jìn)行測繪的應(yīng)用卻為數(shù)不多。

目前,電廠進(jìn)站道路的常規(guī)測繪方法難以滿足精細(xì)化設(shè)計(jì)要求,傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)在公路項(xiàng)目測繪中的應(yīng)用周期較長、成本較高。電廠進(jìn)站道路改擴(kuò)建項(xiàng)目一般規(guī)模較小,而小型無人機(jī)使用成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效率較高,非常適合該類項(xiàng)目。電廠進(jìn)站道路的改擴(kuò)建設(shè)計(jì)涉及橋梁、涵洞加固,道路拓寬,線路、房屋遷改等工作,通過實(shí)景三維建模對現(xiàn)場的高邊坡、高填挖方路段,重要交叉跨越設(shè)計(jì)路段,拆遷房屋路段等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行直觀形象的展示,能保證設(shè)計(jì)方案的合理性和有效性。本文在公司總承包的貞豐電廠進(jìn)站道路改擴(kuò)建測繪中,利用小型無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對進(jìn)站道路的改擴(kuò)建進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了無人機(jī)的靈活性和實(shí)效性。該方法有利于提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的目的。

1 項(xiàng)目實(shí)施

1.1 工程概況

項(xiàng)目全長2 km,帶狀寬度約為300 m,測區(qū)概況如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,需要提供項(xiàng)目測區(qū)內(nèi)1∶500帶狀地形圖（沿黃色中線兩側(cè)各150 m范圍）。

圖1 測區(qū)概況圖

1.2 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)流程

項(xiàng)目采用大疆精靈4 Phantom4 Advanced旋翼無人機(jī)完成航攝影像數(shù)據(jù)的獲取。項(xiàng)目作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目作業(yè)流程圖

1）航測設(shè)計(jì)。根據(jù)收資和測區(qū)現(xiàn)場踏勘掌握的實(shí)地情況、成圖要求以及測區(qū)地形起伏狀況,避開在建電廠煙囪、電塔以及其他重要影響飛行安全的地物,結(jié)合所用旋翼無人機(jī)的特點(diǎn),項(xiàng)目設(shè)計(jì)了5個正射航攝架次和6個傾斜航攝架次。平均每架次的拍攝區(qū)域約為500 m×300 m,每架次航拍按道路走向約重疊100 m,航高設(shè)置約為80 m。若測區(qū)地形復(fù)雜、起伏不均勻,可適當(dāng)增加傾斜攝影的架次。

2）像控點(diǎn)布設(shè)。根據(jù)條帶狀測區(qū)特點(diǎn),為了更好地獲得測區(qū)高精度的影像數(shù)據(jù),項(xiàng)目沿著已有公路兩側(cè)分架次均勻布設(shè)像控點(diǎn),點(diǎn)之間平均間距約為100 m,每架次保證5～6個像控點(diǎn),每架次航拍重疊區(qū)域保證有兩個共同像控點(diǎn)。像控點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)采用電廠的統(tǒng)一坐標(biāo)系,利用GPS-RTK 測量,測量精度要求為2 cm。航測設(shè)計(jì)和像控點(diǎn)布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 航測設(shè)計(jì)和像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

3）航線規(guī)劃與數(shù)據(jù)采集。導(dǎo)入測區(qū)KML文件,利用飛行控制軟件規(guī)劃航線,航向重疊度為80%,旁向重疊度為65%,飛控軟件按預(yù)設(shè)的航線和拍攝參數(shù)控制相機(jī)進(jìn)行拍攝。對于坡度大、地形復(fù)雜的區(qū)域,為提高相片的重疊率可手動控制飛行遙控器適當(dāng)加拍相片。項(xiàng)目共獲取正射影像727張、傾斜影像1 147張。

4）航測內(nèi)業(yè)處理。航測內(nèi)業(yè)處理主要包括刺點(diǎn)、空三加密、圖像匹配、平差和三維產(chǎn)品制作。項(xiàng)目同時導(dǎo)入正射和傾斜攝影多個架次獲得的照片,合并后進(jìn)行處理。首先通過圖像匹配對連接點(diǎn)進(jìn)行平差,修正攝像點(diǎn)的相對位置；再進(jìn)行刺點(diǎn)工作,以確定照片物理要素的精確坐標(biāo)；最后輸出正射影像圖、數(shù)字表面模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)等三維產(chǎn)品。項(xiàng)目主要采用相關(guān)三維建模和立體測圖軟件實(shí)現(xiàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)景三維模型和正射影像

在電廠道路改擴(kuò)建測繪中,為滿足大件運(yùn)輸要求,需對沿線交叉跨越路段進(jìn)行更加精細(xì)的設(shè)計(jì)。實(shí)景三維模型具有紋理清晰、直觀形象、精度較高、可量測的優(yōu)勢,可查看與設(shè)計(jì)方案密切相關(guān)的周邊環(huán)境情況,實(shí)現(xiàn)更好的匹配和融合。如圖5所示,在電廠主水管道施工區(qū)域,水管穿越已有公路。現(xiàn)有道路與重要房屋的位置關(guān)系如圖6所示。若采用傳統(tǒng)線劃地形圖,幾乎很難直觀展示房屋材質(zhì)、樓層、大小等內(nèi)容；而采用無人機(jī)航測技術(shù)制作的三維模型能對重要交叉跨越路段、房屋主要區(qū)域等重點(diǎn)地段重點(diǎn)關(guān)注,有利于最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

圖5 實(shí)景三維模型截圖（跨越主水管道）

圖6 實(shí)景三維模型截圖（道路與房屋關(guān)系）

2 精度檢查與分析

2.1 檢查點(diǎn)位選擇

對于未被遮擋區(qū)域,地物的平面精度評定應(yīng)選取明顯的易判讀實(shí)測的點(diǎn)位,地形點(diǎn)的高程精度評定應(yīng)盡量選擇已有公路上分布均勻的點(diǎn)位,項(xiàng)目選取了易辨別且分布較均勻的47個地物點(diǎn)和66個地形點(diǎn)；對于被植物和樹木遮擋區(qū)域,項(xiàng)目選取已有公路兩側(cè)均勻分布的118個點(diǎn)位。全部檢查點(diǎn)分布情況如圖7中白色點(diǎn)所示。項(xiàng)目利用GNSS方法進(jìn)行地形圖的外業(yè)精度檢查,并利用徠卡GS16儀器進(jìn)行RTK測定檢核。

圖7 實(shí)驗(yàn)檢查點(diǎn)位選取情況

2.2 檢查點(diǎn)的精度計(jì)算

在檢測地物平面和地形點(diǎn)的高程精度時,地形點(diǎn)的高程精度評定利用未被遮擋的檢查點(diǎn)共同計(jì)算。檢測中誤差的計(jì)算公式為:

結(jié)果如表1所示,可以看出,利用未被遮擋檢查點(diǎn)進(jìn)行檢測的地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為0.12 mm,高程檢測點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為0.07 m,均小于GB 50167-2014《工程攝影測量規(guī)范》[12]和DL/T 5138-2014《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測量規(guī)程》[13]中對一般地區(qū)規(guī)定的平面0.6 mm、高程0.33hd為0.33 m（hd為地形圖基本等高距）的要求；而被遮擋的檢查點(diǎn)的高程中誤差達(dá)到了5 m,不符合規(guī)范精度要求。

表1 地形圖精度統(tǒng)計(jì)

2.3 檢查點(diǎn)的精度分析

進(jìn)一步對遮擋檢查點(diǎn)平面和高程誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖8所示,可以看出,檢查點(diǎn)的平面誤差較小,說明RTK實(shí)地校測檢查點(diǎn)坐標(biāo)平面精度較好,能很好地反映實(shí)地高程與模型高程的較差；區(qū)域內(nèi)有樹木遮擋、地表覆蓋有較密集植被的地方,除了零星未被遮擋嚴(yán)實(shí)漏出地表的模型點(diǎn)外,大部分點(diǎn)位高程誤差精度難以滿足1∶500測圖精度要求。

圖8 遮擋檢查點(diǎn)平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié) 語

通過項(xiàng)目實(shí)踐,本文得到以下結(jié)論:

1）在電廠道路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)中應(yīng)用小型無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)測圖,可大幅減少外業(yè)工作人員數(shù)量,提高工作效率和設(shè)計(jì)時效,有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2）利用旋翼無人機(jī)進(jìn)行帶狀傾斜攝影時,應(yīng)注意航測時的架次設(shè)計(jì)與像控點(diǎn)的布設(shè),保證相鄰飛行區(qū)域有共同像控點(diǎn)、合理的影像重疊度（航向/旁向重疊率不低于80%/65%）、少量飛行架次和較低的航高（80 m以下）,在無遮擋區(qū)域能得到很好的成圖精度。

3）在植被覆蓋較密集區(qū)域以及重要交叉跨越線路區(qū)域,則需結(jié)合傳統(tǒng)測量手段進(jìn)行少量補(bǔ)測和補(bǔ)繪作業(yè)。

本文通過在電廠進(jìn)站道路勘測中進(jìn)行無人機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn),為類似道路改擴(kuò)建項(xiàng)目測圖工作提供了新的解決方案。