填筑工程無(wú)人化測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

潘賢亮，劉宏

（上海達(dá)華測(cè)繪科技有限公司，上海 200136）

0 引言

填筑工程施工區(qū)域通常近岸瀕海，屬于淺灘或?yàn)┩繀^(qū)域，環(huán)境復(fù)雜。在潮間帶區(qū)域，水草叢生，漁網(wǎng)遍布；拋石作業(yè)區(qū)域亂石較多，水下陡深陡淺，非常不利于地形的測(cè)繪。常規(guī)通過(guò)人工RTK 測(cè)量或者有人船舶進(jìn)行水深測(cè)量來(lái)獲取填筑區(qū)域的平面和高程信息。傳統(tǒng)測(cè)船吃水深，易撞灘、擱淺，且人工操作船舶走線偏差大；人工跑灘，灘面質(zhì)軟、淤陷，人員和設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)高，作業(yè)效率低。

如何快速、安全、準(zhǔn)確地進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量工作，為施工提供準(zhǔn)確及時(shí)的服務(wù)，是亟需解決的問(wèn)題。無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇測(cè)量技術(shù)相結(jié)合形成的無(wú)人化測(cè)量技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、高精度、高效率的特點(diǎn)，為填筑工程測(cè)量提供了新思路[1-2]。

1 無(wú)人機(jī)航攝結(jié)合激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)高技術(shù)

無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)搭載激光雷達(dá)，點(diǎn)云密度高，可獲取地表高精度三維信息，快速提取淺灘、灘涂等地物信息，作業(yè)效率高，尤其在蘆葦、樹(shù)林等植被覆蓋的區(qū)域，激光脈沖獨(dú)特的多次回波技術(shù)，可以迅速獲取到地表真實(shí)數(shù)據(jù)。多旋翼無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)實(shí)施測(cè)量，可發(fā)揮無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)快速和激光穿透植被的優(yōu)勢(shì)，提高了作業(yè)效率，解決植被覆蓋灘涂測(cè)量難題[3]。

在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，需充分了解無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用方式及各項(xiàng)功能，使兩者能夠穩(wěn)定、完整的結(jié)合起來(lái)；合理規(guī)劃航線，保證相鄰條帶重合度滿足規(guī)范要求，保證數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要根據(jù)測(cè)量區(qū)域的具體情況針對(duì)性處理，對(duì)于植被覆蓋區(qū)，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的激光波可以穿透植被空隙到達(dá)地面，獲取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)；但是對(duì)于有水區(qū)域，激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的激光波無(wú)法穿透水體，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果判斷十分困難，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行判斷；對(duì)于潮間帶地區(qū)，潮水剛退出露灘及吹填區(qū)吹填的新鮮泥表時(shí)，由于表層覆蓋了一層水膜，會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)系統(tǒng)后向散射率變低，從而造成掃描航帶寬度變窄，若要保證數(shù)據(jù)獲取的精度與準(zhǔn)確性，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況縮短航帶間隔以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的成果與已有的人工RTK 測(cè)點(diǎn)比對(duì)，高程中誤差最小的為近岸構(gòu)筑物，高程中誤差最大的為植被覆蓋區(qū)，不同測(cè)量區(qū)域高程中誤差均在12 cm 以內(nèi)，優(yōu)于GB/T 17278—2009《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》1∶500 地形圖要求，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的高精度和可靠性。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)算法提升與改進(jìn)技術(shù)

點(diǎn)云處理方法一般是基于離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)或點(diǎn)云區(qū)域的單獨(dú)處理與輸出。處理時(shí)間長(zhǎng)，精度較低，且受地表噪點(diǎn)的影響較大。在實(shí)際使用過(guò)程中，總結(jié)出了人工干預(yù)結(jié)合自動(dòng)濾波方法[4]，此方法在進(jìn)行自動(dòng)濾波之前先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行人工處理，比如剔除地面凹點(diǎn)跳點(diǎn)，點(diǎn)云平滑等操作，既有自動(dòng)濾波的公式化、避免人工分類中的失誤與界線分隔不明情況出現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，又能有效避免自動(dòng)濾波時(shí)機(jī)械化取最低點(diǎn)而導(dǎo)致測(cè)出整個(gè)地面高程偏低的情況。使用此種方法可以很大程度上減少數(shù)據(jù)后處理的時(shí)間，以及對(duì)處理人員數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)的需求。

在系統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，選擇校準(zhǔn)區(qū)域，首先人工尋找相同的特征點(diǎn)，進(jìn)行安裝偏差角度的計(jì)算，將Roll、Pitch 和Yaw 三者的校準(zhǔn)值計(jì)算出來(lái)，將該值設(shè)置進(jìn)自動(dòng)校準(zhǔn)窗口，再啟用自動(dòng)校準(zhǔn)項(xiàng)，對(duì)人工校準(zhǔn)值進(jìn)行精細(xì)校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)值上載至點(diǎn)云數(shù)據(jù)，查看同一航線、相同區(qū)域的2 條相同航帶的點(diǎn)云疊合情況，直至兩者重合，此時(shí)最佳校準(zhǔn)參數(shù)會(huì)自動(dòng)上載至校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

通過(guò)一系列的測(cè)試和作業(yè)，根據(jù)數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)和成果要求，總結(jié)出一套從數(shù)據(jù)預(yù)處理到成果輸出的較為成熟的工作流程。以該流程為框架，結(jié)合主流激光雷達(dá)數(shù)據(jù)軟件處理的工作方式，采用C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)生成數(shù)字地面模型的算法及專業(yè)的識(shí)別、過(guò)濾軟件系統(tǒng)。該軟件在點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的自動(dòng)化識(shí)別、過(guò)濾參數(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化識(shí)別、過(guò)濾，生成數(shù)字地面模型最終成果，有效降低了繁重的數(shù)據(jù)處理工作強(qiáng)度，減少了人為處理原因產(chǎn)生的處理誤差，提高了數(shù)據(jù)處理速度和質(zhì)量。

1.3 激光點(diǎn)云和低空攝影測(cè)量成果融合

激光點(diǎn)云和低空攝影測(cè)量成果融合分為將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于低空攝影測(cè)量的相控和點(diǎn)云與航空攝影測(cè)量影像融合兩方面[5-9]。

1）激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于航空攝影測(cè)量的相控

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高程數(shù)據(jù)的獲取上因?yàn)槠錇橹鲃?dòng)式測(cè)量，從激光掃描頭中發(fā)射激光脈沖對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表進(jìn)行測(cè)量，可以獲取較為完整的地面點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是受制于掃描式測(cè)量的方式，對(duì)于地表的色彩紋理獲取較少，且雖然點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描密度很大，但是在大范圍測(cè)量過(guò)程中，仍會(huì)不可避免出現(xiàn)較多掃描間隙。而攝影測(cè)量所獲取的正射圖像則對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的紋理色彩以及地物特征把握較好，但是由于其測(cè)量原理原因，在如潮間帶等難以布設(shè)大范圍像控點(diǎn)的情況下，其高程信息精度會(huì)受到一定影響。因此將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于攝影測(cè)量的相控，解決了灘涂等困難地形區(qū)域人工無(wú)法布設(shè)相控點(diǎn)的難題，可以提高攝影測(cè)量高程精度。

2）點(diǎn)云與航空攝影測(cè)量影像融合

通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的地理信息軟件，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與光學(xué)影像以及施工圖的匹配、融合，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM 底圖，隨后將DEM 作為正射影像的高程信息基礎(chǔ)進(jìn)行顯示與建模，可以很大程度上提高三維地形測(cè)量精度與表達(dá)效果。

對(duì)于復(fù)雜地形區(qū)域，使用多旋翼無(wú)人機(jī)低空進(jìn)行精確高程數(shù)據(jù)獲取（DEM），再使用小型低空無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍作業(yè)，獲取真彩色紋理數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行疊加分析與處理。采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)和航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩匹配的計(jì)算方法，可以將RGB 屬性賦予對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可以使用RGB 顯示模式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行真彩色顯示。進(jìn)行激光點(diǎn)云與航攝正射影像融合，可以獲取現(xiàn)場(chǎng)真彩色點(diǎn)云，賦予了RGB 屬性的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅保留原有的激光點(diǎn)云的反射強(qiáng)度、反射角度以及坐標(biāo)信息等屬性，又附加了真彩色屬性。這樣對(duì)于激光點(diǎn)云的特征紋理分析以及檢查點(diǎn)選取的意義非常大，且可以將正射影像航攝照片進(jìn)行匹配檢校，以減少接縫處的變形情況。另外，在兩者疊合的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的疊加，可以直觀地判斷項(xiàng)目施工的進(jìn)度和質(zhì)量，對(duì)于指導(dǎo)施工具有重要意義，如圖1 所示。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加影像圖Fig.1 Overlay image of point cloud data

無(wú)人機(jī)結(jié)合激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)和低空航攝結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在植被覆蓋區(qū)、灘涂區(qū)、吹填區(qū)等人員測(cè)量困難區(qū)域的地表高程數(shù)據(jù)獲取。

2 適應(yīng)圍區(qū)測(cè)量的無(wú)人船集成關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人船技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境治理、海事調(diào)查、安全防衛(wèi)、軍事等方面的案例較為豐富，但運(yùn)用于吹填施工檢測(cè)方面的案例較少，針對(duì)圍填工程應(yīng)用設(shè)計(jì)也不太成熟。通過(guò)調(diào)研選擇一款較為合適的無(wú)人船母船，在此基礎(chǔ)上通過(guò)集成定位和測(cè)深設(shè)備，測(cè)試、優(yōu)化，逐步形成一款適用于圍填工程的無(wú)人測(cè)量船[10-15]。

2.1 無(wú)人船集成改進(jìn)

為適應(yīng)圍區(qū)測(cè)量需求，設(shè)計(jì)的無(wú)人船船體要吃水淺，適合淺灘作業(yè)；體積小，可方便穿梭在圍區(qū)泥塘等困難水域；推進(jìn)器轉(zhuǎn)向靈活，動(dòng)力強(qiáng)勁；船底對(duì)于測(cè)深換能器有保護(hù)措施。

將采集終端、定位、測(cè)深傳感器在船端集成，通過(guò)有線方式傳輸，無(wú)線網(wǎng)橋用來(lái)控制采集和顯示過(guò)程效果。并搭載攝像頭、避碰雷達(dá)等傳感器，兼容測(cè)深數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄船體定位信息，船體的姿態(tài)信息及水深數(shù)據(jù)，通過(guò)控制軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和操作，集成的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Unmanned ship survey system

2.2 無(wú)人船測(cè)量試驗(yàn)

無(wú)人船技術(shù)應(yīng)用于吹填區(qū)、水系內(nèi)河監(jiān)測(cè)，可填補(bǔ)傳統(tǒng)船測(cè)量盲區(qū)的水深數(shù)據(jù)空白，直線航行的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了船測(cè)走線彎曲的缺陷，降低了水深數(shù)據(jù)的冗余量，提高了數(shù)據(jù)的利用率；也適合進(jìn)行固定斷面監(jiān)測(cè)，多期測(cè)量斷面一致性較好。而傳統(tǒng)有人船測(cè)量不同期對(duì)同一斷面測(cè)量航線偏差較大，不利于分析。上海橫沙圈圍項(xiàng)目多期無(wú)人船圍堤斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，壩體上半部分較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)特征一致；綜合多期數(shù)據(jù)對(duì)比，便于分析壩基底部外側(cè)受潮水侵蝕導(dǎo)致的沖淤情況，為筑堤護(hù)底護(hù)基提供了及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)參考。

為驗(yàn)證無(wú)人船測(cè)量的精度和性能，使用同一組測(cè)線對(duì)相同區(qū)域進(jìn)行測(cè)線布設(shè)，測(cè)線間隔10 m，按1 m 距離采樣。無(wú)人測(cè)量船與有人測(cè)量船測(cè)量同一時(shí)間段同步進(jìn)行，潮位控制均采用RTK 驗(yàn)潮模式。使用hypack 軟件統(tǒng)計(jì)2 種測(cè)量方式的交叉點(diǎn)比對(duì)信息，分析其綜合測(cè)量精度，2 種測(cè)量方式深度互差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 深度互差統(tǒng)計(jì)表Table 1 Depth cross-difference statistics

統(tǒng)計(jì)表明，互差5 cm 以內(nèi)占比80.5%，互差10 cm 以內(nèi)占98.6%，互差均小于20 cm。通過(guò)2種水深采集方式的成果統(tǒng)計(jì)比較可知，無(wú)人船整體水深測(cè)量精度較高。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試成果表明，自主集成的無(wú)人船體積小、重量輕、荷載大、吃水淺，適用于圍填工程的淺灘區(qū)域的水深數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果較穩(wěn)定；采集的數(shù)據(jù)通過(guò)2.4 GHz 無(wú)線網(wǎng)橋?qū)崟r(shí)傳回岸端，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)完整回傳，可滿足大部分生產(chǎn)的需求。

3 無(wú)人船、無(wú)人機(jī)成果數(shù)據(jù)融合處理

填筑區(qū)內(nèi)包含大面積水域、淺灘、植被覆蓋區(qū)以及新成陸區(qū)域，水陸交接區(qū)域受潮水影響，常規(guī)測(cè)量手段往往造成成果數(shù)據(jù)的真空地帶；采用無(wú)人船高潮時(shí)水面作業(yè)和無(wú)人機(jī)低潮時(shí)空中作業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水陸數(shù)據(jù)成果的無(wú)縫銜接。

水陸融合技術(shù)現(xiàn)階段分為3 個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：第1 步為工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化記錄，即統(tǒng)一無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等一系列數(shù)據(jù)格式。因?yàn)樵擃惢A(chǔ)數(shù)據(jù)都是獲取以表達(dá)點(diǎn)的位置等信息，本質(zhì)上各類空間坐標(biāo)文件都可以通過(guò)轉(zhuǎn)換變化為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，如X，Y，Z 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)記錄標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一字段格式，統(tǒng)一數(shù)據(jù)后綴等工作。第2 步是數(shù)據(jù)處理模塊的集成化，可以將無(wú)人船數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)以及其他類型數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，并可以進(jìn)行同屏顯示與處理。第3 步為多種數(shù)據(jù)統(tǒng)一化后的疊合顯示、分析以及輸出，而數(shù)據(jù)輸出的結(jié)果，可以是統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)格式成果，也可以是各系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)格式。水陸數(shù)據(jù)融合效果見(jiàn)圖3。

圖3 水陸數(shù)據(jù)融合Fig.3 Land and water data fusion

4 結(jié)語(yǔ)

填筑工程無(wú)人化測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新性地將無(wú)人機(jī)測(cè)高技術(shù)和無(wú)人船測(cè)深技術(shù)進(jìn)行融合，解決了大面積吹填區(qū)域水陸三維地形數(shù)據(jù)獲取的難題；改進(jìn)了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程與工藝，利用校準(zhǔn)參數(shù)智能化選取，人工干預(yù)法自動(dòng)濾波，航拍影像疊合校準(zhǔn)分析等全新測(cè)量手段，減輕了內(nèi)外業(yè)工作人員的作業(yè)強(qiáng)度；將點(diǎn)云用于航攝相控，實(shí)現(xiàn)了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與光學(xué)影像以及施工圖的匹配、融合，提高了三維地形表達(dá)效果，拓展了應(yīng)用空間；通過(guò)針對(duì)性的集成無(wú)人船、測(cè)深和定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大船和人工無(wú)法到達(dá)的圍區(qū)淺灘的準(zhǔn)確測(cè)量，與無(wú)人機(jī)結(jié)合提高圍區(qū)檢測(cè)效率和降低人員安全風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)大大提高了沿海灘涂開(kāi)發(fā)的速度和效益，降低人力、物力的投入，具有較高的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。