低成本無人機建模在公路施工前期中的應用

羅滔 范宇軒 朱祥慧

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610000）

1.項目概況

寧攀高速公路（沿江高速）從宜賓市沿金沙江而上，經(jīng)過宜賓新市鎮(zhèn)，進入涼山州雷波、金陽、寧南、會東、會理，最后到達攀枝花市區(qū)。路面為雙向四車道，設計速度每小時80km。整個線路全長約478km，其中大部分在涼山境內(nèi)，是國高網(wǎng)G4216成都至麗江高速公路的重要組成部分。

本項目處四川省西南部，屬云貴高原北部的橫斷山區(qū)，位于四川盆地向云貴高原過渡地帶，山脈走向近南北向，基本與金沙江支流平行，嶺谷相間，山高谷深。測區(qū)海拔高程一般在600m～1200m。大部分呈陡崖分布，人口稀少，交通不便。沿線不良地質(zhì)主要有斷層、坍塌、滑坡、錯落、危巖落石、巖堆、泥石流、巖溶等，測匯及施工難度極高。

本文以沿江高速TJ2-TJ3作為案例分析，通過無人機航測建模及模型分析，輔助總規(guī)設計及地質(zhì)安全防控。項目位于寧南縣新家灣和花山村境內(nèi)，起于新家灣黑水河隧道出口（K268+013），途經(jīng)長五間、花山村、上花山、至于曾家彎子二臺坡隧道出口（K278+317），全線長10.304km。施工項目航拍如圖1所示，施工線路地圖如圖2所示。

圖1 施工項目航拍圖

圖2 施工線路地圖

2.技術選擇

2.1 航測儀器的選擇

沿江高速設計紅線長、地質(zhì)風險大、施工環(huán)境復雜，為保障航測工作的安全性、精準性、可靠性，通過對無人機市場進行調(diào)查，最終選擇了大疆精靈Phantom 4 RTK作為航測無人機，其作為一款小型多旋翼高精度航測無人機，便攜易用，全面提升航測效率。

性能參數(shù)：相機型號：FC310R；傳感器尺寸：13.2mm×8.8mm；像幅尺寸：5472×3648；相機焦距：8.8mm；抗風等級：6級。相元大小：2.41μm，13.2mm/5472=2.41228μm；“大疆精靈4-RTK”采用雙冗余度MU和指南針來提升安全性。定位系統(tǒng)采用雙備份GNSS系統(tǒng)，高精度GNSS系統(tǒng)采用了DRTK實時差分定位技術，領先的飛控及厘米級定位系統(tǒng)保證了航線精度和飛行姿態(tài)的穩(wěn)定，減少飛行高度變化對影像間比例尺影響，進行免像控作業(yè)精度可達厘米級。

2.2 建模軟件的選擇

在對于無人機測繪數(shù)據(jù)進行處理時，目前業(yè)內(nèi)使用較廣的一般是Context Capture、PIX 4D等，其高度自動化和智能化給航測模型建模帶來了極高的工作效率。在硬件方面也得到了國內(nèi)外許多無人機的支持，軟件和硬件的迭代給航測帶來革命性的改變，推動著無人機航測飛速發(fā)展。本文暫時只討論Context Capture（下文簡稱CC）作為無人機航測模型處理軟件。

作為一款基于數(shù)字影像生成三維模型的軟件，主要是通過對需要處理的圖片進行空中三角測量后使用Engine對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化計算后再建立三維模型，其需要的素材可以來源于數(shù)字相機、手機、無人機載相機。基于CC生成的模型使得用戶能夠通過分析，準確地掌握所需要構(gòu)建物體和對象的實際情況，進行與之相關的風險管理、安防管理、監(jiān)測建筑、施工計劃等，從而使得業(yè)主和施工單位做出最佳的優(yōu)化決策，降低了風險，減少了成本[1]。

3.航拍實施

在圖像數(shù)據(jù)采集及建模中過程中會產(chǎn)生一定的誤差，且因使用低成本無人機精度不高，但這并不影響總體規(guī)劃。下面就具體工程項目，通過對方案的應用以及數(shù)據(jù)處理后的分析對輔助總規(guī)設計與地質(zhì)風險防控的有效性進行闡述。

3.1 航拍方式

飛控軟件參數(shù)設置如圖3所示。

圖3 飛控軟件參數(shù)設置

（1）本項目因地形及紅線設計等原因，航線規(guī)劃為傾斜攝影、正攝攝影共二組，有助于在對施工現(xiàn)場進行更精細的拍攝和建模。（2）飛行高度為200m，采用仿地飛行（地形跟隨）無人機與地面距離始終保持在100m，從而避免在遇見山體斜坡等地形中導致無人機無法把控出現(xiàn)“炸機”或所攝相片精度不夠等狀況。（3）特征區(qū)域飛行高度200m，采用傾斜角為45°的傾斜攝影，航向重疊率設置為80%；旁向重疊率設定達到70%。（4）地圖軟件使用奧維互動地圖。（5）航線規(guī)劃軟件使用Rockycapture。

3.2 航測作業(yè)

在Rockycapture中提前規(guī)劃好航線（傾斜柵欄飛行、正攝飛行一組），鏈接至DJI GO 4，使用DJI GO 4啟動無人機，在起飛前拍攝實驗片，檢查ISO感光度、光圈、快門速度等相機參數(shù)設置，無問題后起飛進行航拍。起飛時按照Rockycapture中相關提示及按鈕，系統(tǒng)操作無人機飛至航線起點，進行航線拍攝，默認為2s拍攝一張。拍攝完成后將無人機收回，于移動端內(nèi)檢查照片是否有明顯的問題，無問題后結(jié)束拍攝。本次拍攝獲得現(xiàn)場照片共計394張。

4.建模過程

在CC中創(chuàng)建一個新project，在Photos里選擇“Add photos selection”，將無人機所拍攝的照片導入其中，CC確認無誤后單擊“submit aerotriangulation”對素材照片進行空中三角測量，指定控制點選擇“photo have positioning metadata”，選擇系統(tǒng)默認計算參數(shù)后單擊“next”進行空中三角計算。空中三角測量是航測建模工作中重要的一環(huán)，其利用連續(xù)拍攝的像片具有一定的重疊度，以攝影測量方法建立同實地相應的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型，從而獲取各個關鍵點的平面坐標和高程，此為模型重建的基礎，建議在模型重建前進行2～3輪的空三測量。運行“Context Capture Center Engine”，單擊“new construction”，進行建模工作，在建模前可針對項目需求，對相關參數(shù)進行設置。因計算機在計算渲染模型時需大量使用運行內(nèi)存，建議在建立模型前對所拍攝區(qū)域進行切塊處理，保持所需運行內(nèi)存占計算機總內(nèi)存的2/3左右，避免計算機的工作壓力及難度過高導致模型無法正常渲染及建立[2]。CC軟件建模過程圖4所示。

圖4 CC軟件建模過程

5.場景分析

軟件生成的模型如圖5所示，施工現(xiàn)場照片如圖6所示，軟件計算挖填方量如圖7所示。

圖5 軟件生成的模型

圖6 施工現(xiàn)場照片

圖7 軟件計算挖填方量

所獲得的模型精度不高，但完全可用于施工前期方案制定參考，通過對模型分析，可獲得以下信息。

（1）因山勢陡峭且樹森較密，人員無法進行探測，通過所建模型能清楚地看到施工場景現(xiàn)場情況。無人機航測建簡化大量現(xiàn)場測量工作，對人員無法到達的區(qū)域均能通過模型采集數(shù)據(jù)。（2）實景模型能更高地還原現(xiàn)場實際地形和全局影象，對于潛在的地質(zhì)風險點、山體裂縫、坡度均可通過模型獲得較為準確的參數(shù)，能在模型上進行標注及分析，同時可在模型上確定便道路線及便橋位置進行確定。（3）建好的三維模型具備矢量數(shù)據(jù)特性，方便查詢模型中任意點、線、面、體的各類數(shù)據(jù)，對模型場景可獲得山體坡度、距離、以及挖填方量及棄土場容量[3]。（4）實景模型實現(xiàn)電子沙盤功能，能更高地還原現(xiàn)場實際地形和全局影象，便于結(jié)合現(xiàn)場地形地貌分析擬實施的工程線路走向，從方案上規(guī)避了不良地質(zhì)災害點的影響，通過模型獲得對于施工便道、便橋、防護網(wǎng)、挖填方量的初步計算，在成本控制方面同樣有著較高的參考價值。（5）通過模型可多次疊加、計算實體工程量，有利對工程狀況進行跟蹤檢，通過多次建模進行對比，以分析施工過程中完成情況及進行方案調(diào)整，為施工組織提供有效參考。（6）整個無人機拍攝及建模過程，風險低、速度快、成本低廉，所獲得的實際效益卻十分有效。

6.項目總結(jié)

航測技術以及三維建模的運用提供了高效便捷的初級測量，獲得的模型可為工程施工便道、便橋、防護網(wǎng)、樁基位置、挖填方量、棄土場選擇等進行有效的規(guī)劃，其作業(yè)效率高、操作便捷、成本低廉、數(shù)據(jù)豐富。目前，低端的三維實景模型在公路施工中仍處在探索階段，但仍然可以對山區(qū)公路工程施工提供高效的應用方案。相信隨著現(xiàn)代化技術水平的提高，三維實景建模將會迅速普及，助力公路施工數(shù)字化進程。