水利工程測(cè)量中無人機(jī)航測(cè)的應(yīng)用探討

程麗

（重慶長江勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 401336）

0 引言

工程測(cè)量將水利設(shè)計(jì)圖紙和工程的施工聯(lián)系在一起，是一項(xiàng)十分重要的工作。在這方面，中國的水利工程建設(shè)越來越受到重視，并取得顯著成效。工程測(cè)量在現(xiàn)代工程中的應(yīng)用越來越多，是為了找到正確的施工位置，最大限度節(jié)約成本。對(duì)工程測(cè)量進(jìn)行研究是水利建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作，只有保證工程測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)和準(zhǔn)確，才能使施工技術(shù)能夠順利進(jìn)行，保證施工時(shí)間和質(zhì)量符合國家有關(guān)規(guī)定。隨著科學(xué)的進(jìn)步，無人機(jī)航測(cè)測(cè)量和遙感技術(shù)取得長足的進(jìn)步，特別是無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在實(shí)際測(cè)量中使用較多。無人機(jī)起降靈活方便，攜帶方便，對(duì)周圍環(huán)境和天氣要求不高。一般而言，空中范圍附近無障礙的平坦地面足以自由起降。可以低空飛行，提高運(yùn)行效率。與傳統(tǒng)的工程勘察相比，現(xiàn)場(chǎng)人員的投入顯著減少。因此，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利工程測(cè)量中。

1 水利工程測(cè)量的意義

要建設(shè)高質(zhì)量的水利工程項(xiàng)目，需要一個(gè)施工環(huán)境復(fù)雜的高精度測(cè)量網(wǎng)。水利工程施工前都需要進(jìn)行工程測(cè)量，而且必須對(duì)工程進(jìn)行技術(shù)研究，因?yàn)檫@將解決工程中可能出現(xiàn)的問題。在施工階段的勘察中，首先根據(jù)地形、技術(shù)特點(diǎn)、施工組織和施工方案介紹施工管理網(wǎng)絡(luò)，然后采取各種措施滿足施工要求，并進(jìn)行施工質(zhì)量檢查。對(duì)設(shè)備進(jìn)行最終檢查、變形監(jiān)測(cè)和安裝，合理設(shè)計(jì)、校核設(shè)計(jì)理論、水平位移和調(diào)整，定期或連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量建筑物的傾斜和振動(dòng)。在勘察過程中，首先對(duì)施工情況進(jìn)行檢查，然后解決一些問題，確保施工順利進(jìn)行。由于水利工程施工場(chǎng)地大，施工環(huán)境復(fù)雜。在施工準(zhǔn)備階段收集一定的數(shù)據(jù)，使監(jiān)理工程師在具體測(cè)量中不會(huì)有太大的偏差，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。從而提高工程測(cè)量中相關(guān)工程的穩(wěn)定性，并且大范圍進(jìn)行工程測(cè)量，能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量工作，確保水利工程施工能夠順利進(jìn)行。在工程建設(shè)中，制定一套完整的水利施工程序非常重要。在應(yīng)用無人機(jī)航測(cè)之前，用傳統(tǒng)的測(cè)量方法測(cè)量工程的工作量是巨大的，而且受技術(shù)影響，所需要的時(shí)間特別長，條件還非常的艱苦，不僅花費(fèi)人力及物力，而且存在測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的狀況。無人機(jī)航測(cè)應(yīng)用之后，給工作人員帶來了特別大的幫助，施工人員能夠拿到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，在提高施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，降低施工難度。實(shí)時(shí)的控制施工進(jìn)度和施工狀態(tài)，建立一系列較為完善的水利工程施工體系，可以大大降低施工中的出錯(cuò)率，同時(shí)提高整個(gè)工程的質(zhì)量，這是我們對(duì)水利工程進(jìn)行工程測(cè)量的首要原因。

2 無人機(jī)航測(cè)的具體應(yīng)用

2.1 無人機(jī)飛行作業(yè)

在施工階段應(yīng)準(zhǔn)備一定的數(shù)據(jù)，以確保準(zhǔn)備材料的準(zhǔn)確性。為了使測(cè)量更準(zhǔn)確，必須仔細(xì)檢查用于特定測(cè)量的儀器，其結(jié)果將有助于提高施工質(zhì)量。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)根據(jù)水利工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部業(yè)務(wù)設(shè)置確定飛行區(qū)域，執(zhí)行規(guī)劃飛行區(qū)域的攝影航線規(guī)劃和正射影響航線規(guī)劃，可以快速獲取高分辨率數(shù)據(jù)。通過配備的攝像頭和其他傳感器獲取準(zhǔn)確直觀的地面信息。為確保照片分辨率一致，需要在兩次飛行期間將無人機(jī)導(dǎo)航參數(shù)設(shè)置為在制造商默認(rèn)規(guī)格允許的最大導(dǎo)航參數(shù)下飛行。如果兩次地面分辨率都調(diào)整到5.6cm，正射鏡頭人機(jī)飛行高度設(shè)置為12m，無人機(jī)飛行高度設(shè)置為92m，航向重疊設(shè)置為80%，側(cè)邊重疊設(shè)置為70%。低空攝影照片的分辨率可以達(dá)到3~5cm的超高分辨率數(shù)字圖像，這是常規(guī)測(cè)量無法達(dá)到的。小型無人機(jī)可在100~500m范圍內(nèi)進(jìn)行低空航拍作業(yè)，讓用戶快速、高效地完成所需的結(jié)果。小型無人機(jī)單次飛行作業(yè)面積約1km2，作業(yè)效率高。無人機(jī)飛行作業(yè)如圖1所示。

圖1 無人機(jī)飛行作業(yè)

2.2 控制網(wǎng)布設(shè)

首級(jí)控制網(wǎng)使用當(dāng)?shù)貒临Y源局提供的9個(gè)GPS-C級(jí)控制點(diǎn)作為啟動(dòng)數(shù)據(jù)，重新測(cè)試控制網(wǎng)后，使用GNSS-RTK安裝網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)。水利工程項(xiàng)目平面坐標(biāo)以CGCS2000國家坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，高程選用1055國家高程基準(zhǔn)。衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)提供整個(gè)水利工程項(xiàng)目的信號(hào)覆蓋，信號(hào)良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可以直接使用CORS測(cè)量圖像控制點(diǎn)。水利工程的加密控制點(diǎn)，平面數(shù)據(jù)在一級(jí)控制網(wǎng)中進(jìn)行調(diào)整，高程數(shù)據(jù)在首級(jí)控制網(wǎng)中進(jìn)行平面擬合后應(yīng)用于測(cè)量區(qū)。

2.3 建立完善的數(shù)據(jù)庫

進(jìn)行水利工程測(cè)量過程中，需要樹立良好的服務(wù)理念，良好的服務(wù)理念能夠幫助相關(guān)工作人員提高工作效率。在進(jìn)行水利工程測(cè)量時(shí)，需要對(duì)測(cè)量任務(wù)有詳細(xì)的了解，這就需要工作人員更加積極主動(dòng)，使測(cè)量工作能夠順利進(jìn)行。首先，水利工程設(shè)計(jì)、施工、計(jì)量等部門隨時(shí)進(jìn)行溝通，保證信息交流的暢通，實(shí)現(xiàn)真正的信息數(shù)據(jù)共享，以達(dá)成共識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)；其次，水利工程的建設(shè)時(shí)基本上都是按照城市基本規(guī)劃進(jìn)行的，按照重點(diǎn)突破的原則設(shè)計(jì)的，所以進(jìn)行測(cè)量時(shí)要根據(jù)先前規(guī)劃進(jìn)行逐一測(cè)量。最后，各部門要相互協(xié)調(diào)配合，便于統(tǒng)一管理，提高工作效率，避免資源浪費(fèi)。進(jìn)行水利工程的數(shù)據(jù)庫建立的過程中，要充分考慮水利工程的管理和后期發(fā)展。而且在數(shù)據(jù)庫建立時(shí)，要將所有水利工程視為一個(gè)整體，收集數(shù)據(jù)建立信息數(shù)據(jù)庫。更好的發(fā)揮出數(shù)據(jù)庫應(yīng)有的數(shù)據(jù)管理、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能，讓水利工程信息數(shù)據(jù)庫更加完善，為水利工程提供更好的服務(wù)。

2.4 外業(yè)數(shù)據(jù)收集

在圖像采集過程中，現(xiàn)場(chǎng)人員完成圖像數(shù)據(jù)的第一次自檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺陷，排除問題和缺陷圖像，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和重拍，保證圖像質(zhì)量。在平坦區(qū)域選擇圖像控制點(diǎn)，使圖像更清晰。目標(biāo)明確的區(qū)域有利于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)。外業(yè)使用帶有高分辨率相機(jī)的固定翼無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。影像控制點(diǎn)的部署密度較高，可以滿足1:2000大比例尺映射的精度要求。水庫外業(yè)數(shù)據(jù)收集如圖2所示。

圖2 水庫外業(yè)數(shù)據(jù)收集

2.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)采集影像數(shù)據(jù)后，會(huì)生成數(shù)字高程模型和地表模型，以及拍攝區(qū)域的數(shù)字正射影像。同時(shí)，在項(xiàng)目完成范圍內(nèi)，根據(jù)業(yè)主單位提供的施工前測(cè)繪數(shù)據(jù)，構(gòu)建經(jīng)過處理的TIN網(wǎng)絡(luò)。利用ArcGIS軟件生成三角網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)三角柱的開挖（填方）量，最后將區(qū)域內(nèi)所有三角柱的體積累加，以水平面為計(jì)算面。同時(shí)，利用水利工程邊界樁的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)狀，將采集到的地形數(shù)據(jù)與水利工程建成區(qū)的施工前數(shù)字高程模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

3 水利工程放樣和變形監(jiān)測(cè)

隨著大型水利建設(shè)需求和規(guī)模不斷擴(kuò)大和變化，迫切需要發(fā)展快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、高效的空間規(guī)劃技術(shù)。遠(yuǎn)程控制和通信技術(shù)將具有良好的應(yīng)用前景。空間規(guī)劃技術(shù)的不斷創(chuàng)新和呈現(xiàn)，空間規(guī)劃技術(shù)將受到越來越多的關(guān)注。無人機(jī)航測(cè)的發(fā)展，對(duì)大型水利工程在相關(guān)的施工與竣工過程中的空間形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、完整的記錄將越來越受到重視。無人機(jī)攝影測(cè)量和地面激光掃描具有高質(zhì)量的應(yīng)用潛力。然而，大型水利動(dòng)、靜態(tài)變形的自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和措施還有待于進(jìn)一步探索和發(fā)展。有望在技術(shù)手段和操作規(guī)程、檢測(cè)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面取得新突破。應(yīng)積極開發(fā)智能分析技術(shù)和視覺表達(dá)技術(shù)，通過形態(tài)檢測(cè)和變形監(jiān)測(cè)，滿足最新結(jié)果和質(zhì)量保證的要求。

4 結(jié)語

近年來，無人機(jī)航測(cè)測(cè)量作為一種新型的航空遙感技術(shù)發(fā)展迅速，且技術(shù)日趨成熟。與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比，無人機(jī)航測(cè)測(cè)量可以捕捉具有表面特征的4D產(chǎn)品并且獲得的信息更加全面，因此被用于多種行業(yè)和學(xué)科。無人機(jī)與GPSRTK結(jié)合，利用無人機(jī)快速靈活獲取地面位置數(shù)據(jù)。GPSRTK外業(yè)捕捉影像控制點(diǎn)的平面和高程信息，保證航拍區(qū)域內(nèi)的測(cè)量精度，兩者結(jié)合生成數(shù)字高程模型，在水利工程測(cè)量中發(fā)揮重要的應(yīng)用。