無人機(jī)在長江口整治建筑物維護(hù)觀測中的應(yīng)用

楊俊凱，王長永，顏惠慶，王建雄

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司,上海 200120）

關(guān)鍵字：消費(fèi)級無人機(jī)；整治建筑物；維護(hù)觀測；精度

引言

長江口深水航道治理三期工程建成后，為實(shí)現(xiàn)減淤降費(fèi)的目標(biāo)，交通運(yùn)輸部長江口航道管理局按照“積極穩(wěn)妥”的原則，研究提出先行將南壩田擋沙堤加高至+3.5 m（上海城建吳淞基面）[1]。先期工程于2018 年8 月通過竣工驗(yàn)收，建成后較好的發(fā)揮了航道整治效果。由于長江口水域自然條件復(fù)雜，人為干擾因素多，整治建筑物不可避免的出現(xiàn)了一些局部損壞，為此，長江口航道管理部門需定期對整治建筑物開展維護(hù)觀測，指導(dǎo)整治建筑物的維護(hù)工作。傳統(tǒng)的整治建筑物觀測方法需要人工乘小船靠泊整治建筑物，登陸后進(jìn)行人工拍照及GNSS-RTK 走測，作業(yè)效率較低，且人員頻繁上下船易出現(xiàn)落水等險情，同時整治建筑物上濕滑，人工走測存在滑倒、摔傷等潛在風(fēng)險，因此需采用其他更為安全、高效的方法進(jìn)行長江口整治建筑物維護(hù)觀測工作。

近年來，無人機(jī)航測技術(shù)發(fā)展迅速，已成為獲得地理信息的重要手段[2]，無人機(jī)具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)豐富等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于國土測繪、河道測量[3]、整治建筑物監(jiān)測[4]等方面。無人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域可分為專業(yè)級和消費(fèi)級無人機(jī)，隨著消費(fèi)級無人機(jī)市場的發(fā)展，已逐步在大比例尺測圖[5]、實(shí)景三維建模[6]等方面展開應(yīng)用，消費(fèi)級無人機(jī)相對于專業(yè)級測繪無人機(jī)，具有成本低、操作簡單、轉(zhuǎn)場方便等應(yīng)用優(yōu)勢。針對傳統(tǒng)整治建筑物維護(hù)觀測方法存在著效率較低、危險性較高等缺點(diǎn)，為檢驗(yàn)消費(fèi)級無人機(jī)在整治建筑物的維護(hù)觀測能力，本文以長江口南壩田擋沙堤為例，選用DJI Phantom 4 RTK 消費(fèi)級無人機(jī)制作了長江口整治建筑物的數(shù)字產(chǎn)品，為整治建筑物的維護(hù)觀測提供了新思路，可科學(xué)有效地指導(dǎo)整治建筑物的維護(hù)工作。

1 無人機(jī)系統(tǒng)及作業(yè)流程

DJI Phantom 4 RTK 無人機(jī)系統(tǒng)主要由無人機(jī)、自穩(wěn)云臺、高清相機(jī)、遙控器等組成，如圖1所示。該機(jī)型實(shí)現(xiàn)了飛控、相機(jī)與 RTK 時鐘的微秒級同步，減少了位置記錄信息與相機(jī)拍攝時間誤差延遲，因此拍攝的影像具體更精確的位置信息，從而可以免去傳統(tǒng)航空攝影測量中需要布設(shè)一定數(shù)量的野外像控點(diǎn)的難點(diǎn)，可有效地簡化作業(yè)流程，降低作業(yè)成本。試驗(yàn)區(qū)為長江口地區(qū)，幾乎無網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，無法正常使用網(wǎng)絡(luò)RTK，因此本次試驗(yàn)配置了D-RTK2 基站，如圖2所示。該基站通過手動輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)，可保證無人機(jī)的通訊和圖傳系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)組成

圖2 D-RTK2 基站架設(shè)

DJI Phantom 4 RTK 無人機(jī)航測作業(yè)流程主要包括相機(jī)檢校、現(xiàn)場踏勘、檢查點(diǎn)采集、航線規(guī)劃、空中三角解算、數(shù)字產(chǎn)品制作等步驟。航測開始之前需對非量測相機(jī)進(jìn)行畸變校正，確定相機(jī)的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)，相機(jī)檢校精度關(guān)系到空三加密質(zhì)量及最終數(shù)字產(chǎn)品質(zhì)量[7]，常用的方法有兩種，一種是利用外部商業(yè)軟件自檢校功能提取相機(jī)參數(shù)，另一種在室內(nèi)檢校場進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。文中采用第一種方法進(jìn)行相機(jī)參數(shù)提取。在進(jìn)行航線規(guī)劃之前需進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境踏勘，長江口地區(qū)常年5～7 級大風(fēng)，外業(yè)飛行前應(yīng)充分評估現(xiàn)場環(huán)境。飛行時應(yīng)避免太陽直射，否則圖像容易過曝，產(chǎn)生發(fā)白、陰影等問題。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

長江口南壩田擋沙堤主要為北槽中下段S4～S9丁壩間的南壩田區(qū)域。如圖3 所示，該區(qū)域的地形復(fù)雜，場地狹窄，不同區(qū)段具有不同的斷面形式，低潮位時可露出且長有不同程度的苔蘚，地面濕滑，人工登陸行走困難。因此，項(xiàng)目組于2019 年10 月采用免像控消費(fèi)級無人機(jī)對測區(qū)開展了航拍試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)消費(fèi)級無人機(jī)在長江口整治建筑物區(qū)的維護(hù)觀測效果。

圖3 試驗(yàn)區(qū)位置

2.1 檢查點(diǎn)采集

免像控?zé)o人機(jī)作業(yè)時相機(jī)的曝光延遲誤差較小，可獲得高精度的POS 數(shù)據(jù)，因此在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算時，可利用POS 數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角解算，不需要額外布設(shè)像控點(diǎn)。為驗(yàn)證此次消費(fèi)級無人機(jī)在長江口整治建筑物的觀測精度，需布設(shè)野外檢查點(diǎn)，因此本次試驗(yàn)采用紅色油性噴漆在擋沙堤上共均勻布設(shè)20 個野外檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)坐標(biāo)采用實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）進(jìn)行采集，要求像控點(diǎn)平面和高程精度均小于±3 cm。

2.2 航線規(guī)劃

因測區(qū)幾乎無網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，在進(jìn)行航線規(guī)劃前先架設(shè)D-RTK2 基站，并且采集基站點(diǎn)坐標(biāo)，輸入到D-RTK2 基站中，采用無人機(jī)連接 D-RTK2基站，檢查無人機(jī)RTK 信號是否為固定狀態(tài)，同時進(jìn)行指南針校準(zhǔn)、SD 卡存儲檢查等工作，在確定無人機(jī)無異常后進(jìn)行航線規(guī)劃，無人機(jī)飛行航線在GS RTK App 軟件進(jìn)行規(guī)劃，因測區(qū)長約25km，且呈條帶狀，且消費(fèi)級無人機(jī)航時較短、通訊距離較短，單架次作業(yè)無法完成所有測區(qū)航拍，需進(jìn)行任務(wù)分區(qū)，因此本次飛行共分為30 架次完成。飛行參數(shù)如表1 所示。

表1 飛行參數(shù)設(shè)置

2.3 影像采集

在設(shè)置完航測參數(shù)后，按照既定航線放飛無人機(jī)，DJI Phantom 4 RTK 標(biāo)稱最大飛行時間為30分鐘，考慮測區(qū)風(fēng)力較大，無人機(jī)電量損耗速率較大，預(yù)留5 分鐘做無人機(jī)回收過程，飛行任務(wù)結(jié)束后取出SD 卡，并進(jìn)行影像數(shù)據(jù)拷貝及備份。

2.4 內(nèi)業(yè)處理

在拷貝出影像數(shù)據(jù)后，因DJI Phantom 4 RTK像片中自帶POS 信息，因此可直接導(dǎo)入后處理軟件中進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，內(nèi)業(yè)處理主要包含以下幾點(diǎn)：

1）影像檢查。檢查航攝像片拍攝質(zhì)量，查看航片有無缺失、模糊等情況。

2）航攝像片處理。因消費(fèi)級無人機(jī)采用了非量測型普通相機(jī)，導(dǎo)致航攝像片幾何畸變，這些幾何畸變嚴(yán)重影響了航拍影像的質(zhì)量，在后期處理中影響空三解算、影像配準(zhǔn)等工作，從而會在很大程度上影響到航測成圖的精度。因此根據(jù)商業(yè)軟件提取的相機(jī)檢校參數(shù)對原始像片進(jìn)行質(zhì)量檢查、預(yù)處理、畸變改正等，形成可供空中三角解算的像片文件。

3）空三解算?？杖馑闶莾?nèi)業(yè)處理的核心部分，通過匹配點(diǎn)進(jìn)行自動空三加密，生成影像點(diǎn)云，建立三維立體模型，進(jìn)而生成數(shù)字表面模型（DSM）及數(shù)字正射圖（DOM）等數(shù)字產(chǎn)品。

3 精度分析

為檢驗(yàn)消費(fèi)級無人機(jī)在整治建筑物維護(hù)觀測的精度，項(xiàng)目組在測區(qū)內(nèi)布設(shè)了20 個野外檢查點(diǎn)，并將其航測值與RTK 實(shí)測值進(jìn)行對比，點(diǎn)位精度用均方根誤差來表示，設(shè)第i個檢查點(diǎn)的無人機(jī)航測坐標(biāo)為（Xi,Yi,Zi），由RTK 采集對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為則該點(diǎn)的平面誤差值ΔPi及高程誤差值ΔZi分別為:

其中di為平面誤差值ΔPi或高程誤差值ΔZi。

誤差統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

表2 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計

通過20 組檢查點(diǎn)的航測值與RTK 實(shí)測值進(jìn)行對比，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知消費(fèi)級無人機(jī)航測在平面上最大誤差為0.079 m，中誤差為0.061 m，高程上最大誤差為0.132 m，中誤差為0.108 m。結(jié)合文獻(xiàn)[8][9]中分別規(guī)定，1:500 平原地區(qū)平面和高程中誤差要求分別為：0.3 m、0.2 m。對比結(jié)果表明：此次消費(fèi)級無人機(jī)在長江口整治建筑物的測量在平面和高程均能滿足 1:500 數(shù)字正射圖和數(shù)字高程模型的精度要求。

4 效果分析

無人機(jī)具有機(jī)動性強(qiáng)、高空視野廣闊等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的整治建筑物巡查對部分低潮時露出水面的整治建筑物，主要采取現(xiàn)場踏勘或遠(yuǎn)距離拍照的方式進(jìn)行巡查，傳統(tǒng)整治建筑物巡查方式效率較低，成果形式單一，且不能反映出全部整治建筑物立面信息，而無人機(jī)相對于傳統(tǒng)整治建筑物巡查方式，可以獲取整治建筑物立面的影像資料，成果形式豐富。如4 圖所示，通過消費(fèi)級無人機(jī)生產(chǎn)的DOM產(chǎn)品，可以識別出丁壩4 附近拋石發(fā)生了明顯的缺失，人為破壞的可能性較大。

圖4 整治建筑物現(xiàn)狀圖

消費(fèi)級無人機(jī)在長江口整治建筑物監(jiān)測精度評定結(jié)果顯示，無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)不具備觀測微觀形變的能力，為檢驗(yàn)無人機(jī)航測技術(shù)在較大沉降監(jiān)測的應(yīng)用能力，項(xiàng)目組從消費(fèi)級無人機(jī)生產(chǎn)的三維模型中提取了丁壩8 下游150 m 范圍內(nèi)30個構(gòu)件中段的堤頂高程，同時將航測高程值與設(shè)計標(biāo)高進(jìn)行比對，如圖5 所示，對比結(jié)果顯示，丁壩8 下游部分構(gòu)件發(fā)生了較大的沉降，且最大沉降量已超過50 cm，因此需航道維護(hù)部門進(jìn)行對沉降較大的構(gòu)件進(jìn)行加固維護(hù)和定期監(jiān)測。

圖5 部分構(gòu)件的沉降情況圖

5 結(jié)語

為檢驗(yàn)消費(fèi)級無人機(jī)在長江口整治建筑物的維護(hù)觀測能力，項(xiàng)目組采用DJI Phantom 4 RTK 消費(fèi)級無人機(jī)獲取了長江口整治建筑物的DOM、DEM 產(chǎn)品，并在數(shù)字產(chǎn)品的基礎(chǔ)上分析了當(dāng)前整治建筑物的現(xiàn)狀及部分構(gòu)件的沉降情況。主要結(jié)論如下：

1）無人機(jī)低空攝影測量方法相比于傳統(tǒng)整治建筑物維護(hù)觀測方法具有成本低、機(jī)動性強(qiáng)、視野廣闊、效率高等特性，可獲取到整治建筑物更多的信息量，更容易發(fā)現(xiàn)整治建筑物局部損壞情況，可替代傳統(tǒng)整治建筑物的巡查方式。

2）根據(jù)無人機(jī)航測值與實(shí)測值誤差統(tǒng)計結(jié)果，此次消費(fèi)級無人機(jī)在長江口整治建筑物的測量在平面和高程精度符合1:500 數(shù)字正射圖和數(shù)字高程模型的要求，證明利用多消費(fèi)級無人機(jī)在整治建筑物觀測結(jié)果是可靠的，同時指出消費(fèi)級無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)雖然不具備觀測微觀形變的能力，但可以發(fā)現(xiàn)整治建筑物較大沉降情況，可作為整治建筑物維護(hù)工作的參考。