無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用研究

趙韋皓，郭志光，張凡，呂柏行

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部建設(shè)迎來(lái)了高潮。高速公路、高速鐵路建設(shè)的重心逐漸轉(zhuǎn)移至我國(guó)西部地區(qū)。四川、貴州、云南和西藏等地山嶺重丘密布，傳統(tǒng)的測(cè)量手段受地形限制大、效率低、安全性差、準(zhǔn)確性不夠，難以滿(mǎn)足勘察、設(shè)計(jì)、施工等工程建設(shè)階段的測(cè)繪要求。雖然，近年來(lái)現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)發(fā)展迅猛，GPS、全站儀、光電測(cè)距全面取代了傳統(tǒng)測(cè)繪手段，但在地形復(fù)雜的區(qū)域開(kāi)展測(cè)繪工作仍十分困難，有必要借助無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)來(lái)完成地形復(fù)雜區(qū)域的測(cè)繪工作。

在此背景下，石越[1]利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)提出了基于航測(cè)數(shù)據(jù)成果的地表沉降和土方量計(jì)算方法，為二者提供了新的解決思路，拓展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍；鄒楊等[2]提出在大高差鐵路工程施工中應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行三維建模、斷面輸出、便道選線(xiàn)和土石方量計(jì)算的方法；周福軍[3]提出利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)川藏鐵路等高寒高海拔地區(qū)地質(zhì)準(zhǔn)確判斷和定量提取，利用三維傾斜攝影模型提高勘察效率和精度；譙生有[4]利用無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的實(shí)景地形模型與BIM 技術(shù)建立的道路結(jié)構(gòu)物參數(shù)模型進(jìn)行融合，建立和更新城市道路施工環(huán)境模型，快速獲取地物、地貌、影像等空間信息。

本文主要從土方量計(jì)算、臨建規(guī)劃、便道選線(xiàn)和BIM 技術(shù)深度應(yīng)用等方面研究無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施線(xiàn)性工程中的應(yīng)用，以期對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施線(xiàn)性工程的智慧建造和高效建造有所幫助。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取方法

2.1 航線(xiàn)規(guī)劃

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍前，需要在地面站對(duì)飛行航線(xiàn)進(jìn)行設(shè)置。由于基礎(chǔ)設(shè)施工程線(xiàn)性里程長(zhǎng)，穿越河流、山區(qū)時(shí)高差變化較大，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線(xiàn)規(guī)劃時(shí)，要充分考慮續(xù)航時(shí)間、信號(hào)傳輸是否遮擋、航測(cè)高度、航測(cè)精度和返航高度等問(wèn)題。尤其在山區(qū)航測(cè)時(shí)，要特別注意無(wú)人機(jī)的信號(hào)傳輸，繞避山體、高壓線(xiàn)等。保證無(wú)人機(jī)航向重疊度≥80%，旁向重疊度≥60%。在高差大的山區(qū)飛行時(shí)，必須進(jìn)行航線(xiàn)變高仿地飛行。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

像控點(diǎn)的分布、數(shù)量和聯(lián)測(cè)精度主要由航測(cè)成果要求確定。一般1∶500 比例尺的地形圖的像控點(diǎn)密度為12～15 點(diǎn)/km2，所有點(diǎn)位均勻分布。在基礎(chǔ)設(shè)施線(xiàn)性工程中，如高速鐵路、高速公路等，一般每隔500 m 布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn)即可滿(mǎn)足1∶500 比例尺的地形圖精度要求。像控點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)盡量在道路等硬化地表，這樣可提高作業(yè)效率，長(zhǎng)久保存點(diǎn)位。像控點(diǎn)布設(shè)完成后進(jìn)行坐標(biāo)信息采集，建議每個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量2 次，以減小誤差，降低坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量出錯(cuò)的概率。

2.3 無(wú)人機(jī)空中三角攝影測(cè)量

空中三角攝影測(cè)量是無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)的關(guān)鍵步驟，它利用少量的地面控制點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)連接成一個(gè)整體，通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算一個(gè)測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，用于生成測(cè)量對(duì)象三維點(diǎn)云模型及后續(xù)產(chǎn)品。

2.4 數(shù)據(jù)處理

基于空中三角測(cè)量成果，利用三維建模軟件ContextCapter進(jìn)一步進(jìn)行三維實(shí)景建模：經(jīng)測(cè)區(qū)分塊、像對(duì)篩選、點(diǎn)云計(jì)算、點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)、紋理映射等制作三維實(shí)景模型，并對(duì)生成的模型進(jìn)行必要的修飾處理，如水面、路面合理化編輯、破洞修飾、懸浮物處理等，制作精細(xì)化三維實(shí)景模型成果。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土石方量計(jì)算中的應(yīng)用

現(xiàn)代大道項(xiàng)目位于浙江省臺(tái)州市，項(xiàng)目全長(zhǎng)22.3 km，為市政道路改建及配套工程。臺(tái)州市黃雁山采石場(chǎng)開(kāi)采石料供給現(xiàn)代大道項(xiàng)目道路結(jié)構(gòu)層使用，為保證項(xiàng)目順利推進(jìn)，保障物資材料供應(yīng)，需要測(cè)算采石場(chǎng)石料方量是否滿(mǎn)足生產(chǎn)使用，如不滿(mǎn)足，項(xiàng)目需要及時(shí)外購(gòu)石料。

本項(xiàng)目航測(cè)無(wú)人機(jī)使用大疆精靈4RTK，共航測(cè)2 個(gè)架次。由于采石場(chǎng)在臺(tái)州市路橋機(jī)場(chǎng)限高區(qū)內(nèi)，飛行高度設(shè)置為120 m。利用pix4dmapper 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，合成數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）。現(xiàn)代大道項(xiàng)目使用的是當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，大疆精靈4RTK 坐標(biāo)系設(shè)置為WGS84 坐標(biāo)系或CGCS2000 坐標(biāo)系，本次航測(cè)采用的WGS84 坐標(biāo)系，為了提高計(jì)算精度，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在EPS2016 軟件中加載DEM 和DOM，生成垂直攝影模型（DSM），導(dǎo)出采石場(chǎng)原始高程點(diǎn)。

計(jì)算土石方量需要3 個(gè)條件：（1）原始高程點(diǎn)；（2）計(jì)算土方的范圍；（3）施工后的高程點(diǎn)。土方量計(jì)算范圍為山丘坡腳線(xiàn)，施工后的高程點(diǎn)為山丘坡腳下平面位置處高程。將EPS2016 導(dǎo)出的原始高程點(diǎn)導(dǎo)入南方CASS9.1 中，分別采用方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法進(jìn)行土石方量計(jì)算，兩種方法測(cè)算的黃雁山采石場(chǎng)土石方量分別為7.851×105m3和7.735×105m3。經(jīng)測(cè)算，滿(mǎn)足項(xiàng)目道路施工生產(chǎn)使用，無(wú)須外購(gòu)石料。

4 輔助項(xiàng)目臨建規(guī)劃、便道選線(xiàn)

蒼昭高速項(xiàng)目位于廣西壯族自治區(qū)賀州市昭平縣，線(xiàn)路總長(zhǎng)12.14 km，橋隧比達(dá)70.52%。此地地貌特征明顯：群山起伏、河谷深切、平地狹小。臨建（項(xiàng)目部、混凝土拌和站）規(guī)劃和便道選線(xiàn)異常困難，為高效精準(zhǔn)策劃，項(xiàng)目選用飛馬D2000 無(wú)人機(jī)，分別搭載單鏡頭和五鏡頭，對(duì)全線(xiàn)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)（仿地飛行），共航測(cè)12 架次。

航測(cè)成果為DOM 和三維傾斜攝影模型，將DOM 導(dǎo)入項(xiàng)目路線(xiàn)總體圖中（見(jiàn)圖1），可以準(zhǔn)確地確定項(xiàng)目關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如便道、項(xiàng)目部、混凝土拌和站、橋梁、互通、梁場(chǎng)、棄土場(chǎng)等的位置，結(jié)合三維傾斜攝影模型，可以確定在這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)附近的地形信息，如高程信息、水文信息等，助力項(xiàng)目管理者進(jìn)行項(xiàng)目策劃。

圖1 蒼昭高速公路項(xiàng)目連接線(xiàn)三維傾斜攝影模型

5 無(wú)人機(jī)地形數(shù)據(jù)與BIM模型匹配融合，進(jìn)行可視化模擬

敦白鐵路項(xiàng)目位于吉林省敦化市，線(xiàn)路全長(zhǎng)32.7 km，重難點(diǎn)為范圍內(nèi)80 m+80 m T 構(gòu)橋和長(zhǎng)3 km 的隧道。項(xiàng)目周邊地形復(fù)雜，地貌以丘陵地形為主，標(biāo)段內(nèi)80 m+80 m T 構(gòu)橋跨越近百米寬的河流。項(xiàng)目在施工期間利用多旋翼無(wú)人機(jī)輔助項(xiàng)目施工，結(jié)合BIM 模型進(jìn)行深度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)可視化模擬。

本項(xiàng)目采用天狼星固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)，無(wú)人機(jī)搭載Sony-RX1R2 全畫(huà)幅相機(jī)，共航測(cè)12架次，內(nèi)業(yè)處理生成DOM、DSM、點(diǎn)云和傾斜攝影模型等成果。利用BIM 軟件創(chuàng)建模型建立精度為L(zhǎng)OD300～400（LOD300 級(jí)一般要求BIM 設(shè)計(jì)匹配到施工圖及深化施工層次；LOD400 級(jí)一般要求BIM 設(shè)計(jì)可以用于模型單元的加工和安裝）的模型，將模型和地形在Infraworks 軟件中集成，并添加植被、路基、現(xiàn)有道路等信息，實(shí)現(xiàn)三維可視化模擬，如圖2 所示。

圖2 敦白鐵路項(xiàng)目80 m+80 mT構(gòu)橋三維可視化模擬

6 結(jié)語(yǔ)

本文以無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施線(xiàn)性工程中的推廣應(yīng)用為研究目的，闡述無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的大致流程，介紹了多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)在工程項(xiàng)目土方量計(jì)算、臨建規(guī)劃、便道選線(xiàn)、BIM 深度應(yīng)用和可視化模擬方面的應(yīng)用方案，展示了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施線(xiàn)性工程中發(fā)揮的重要作用，可以幫助項(xiàng)目管理人員精準(zhǔn)決策，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目高效履約。