無人機(jī)管理技術(shù)在公路建設(shè)的應(yīng)用探討

■祁宇超 李全林 孫 梅

（新疆興亞工程建設(shè)有限公司， 昌吉 831100）

無人機(jī)技術(shù)已在不同領(lǐng)域得到諸多創(chuàng)新性應(yīng)用，其使用場景仍在不斷拓展，在工程建設(shè)領(lǐng)域同樣也有廣泛的應(yīng)用空間。 在高等級(jí)公路的施工及運(yùn)營領(lǐng)域已有部分無人機(jī)應(yīng)用場景， 但主要作為宣傳及拍攝涉手段，并未與公路建設(shè)工程管理直接掛鉤，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)信息也未進(jìn)行系統(tǒng)處理及應(yīng)用。

依托無人機(jī)的超低空遙感技術(shù)囊括了VR 增強(qiáng)、機(jī)械視覺、3S 以及機(jī)器人等專業(yè)，利用硬件設(shè)備搭載的高光譜、紅外、可見光傳感器，獲取光譜、溫度及空間數(shù)據(jù)， 經(jīng)信息化處理后形成3D 數(shù)字信息模型，可與工程建設(shè)設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)高度融合。 例如在測繪過程中可將IMU 單元、GPS 接收單元以及航測相機(jī)搭載在無人機(jī)上，以遙感結(jié)合攝影測量的方法得以實(shí)現(xiàn)[1]。 依托數(shù)據(jù)處理應(yīng)用平臺(tái)，將無人機(jī)技術(shù)獲取的數(shù)字信息模型與公路建設(shè)管理要求、管理對(duì)象相鏈接，達(dá)到施工數(shù)字化、可視化管理目標(biāo)。

在公路建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用基于超低空遙感技術(shù)的無人機(jī)管理方法， 能高效率實(shí)現(xiàn)地形地貌采集、公路建設(shè)進(jìn)度把控，同時(shí)對(duì)工程建設(shè)環(huán)境保護(hù)等情況進(jìn)行收集應(yīng)用。 系統(tǒng)化管理公路建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度及工程量計(jì)量等環(huán)節(jié)，提升公路建設(shè)管理水平，為管理者提供高效、直觀、便捷的體驗(yàn)，也為公路建設(shè)管理體系開拓出創(chuàng)新性思路，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

無人機(jī)管理技術(shù)應(yīng)用過程的實(shí)現(xiàn)包含三大部分：項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)信息化處理（包含模型搭建）、模型場景應(yīng)用。

利用高清拍攝設(shè)備拍攝獲取公路建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)信息化處理后搭建3D 數(shù)字信息模型，依托該模型再做多種形式的技術(shù)應(yīng)用。

1.1 項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)收集

（1）進(jìn)行公路建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場外業(yè)數(shù)據(jù)收集前須先明確收集區(qū)域， 在已明確的區(qū)域內(nèi)設(shè)置控制點(diǎn)。利用無人機(jī)初步觀測采集區(qū)地質(zhì)地貌條件后，用專用油性標(biāo)記紙?jiān)跇?biāo)志性地物處進(jìn)行鋪設(shè)（圖1）。 針對(duì)帶狀分布的數(shù)據(jù)收集區(qū)域，控制點(diǎn)應(yīng)按照S 形特征在其左右雙側(cè)進(jìn)行布設(shè)， 其布設(shè)密度不宜少于3 點(diǎn)位/km，尤其是在地勢起伏變化明顯時(shí)酌情進(jìn)行加密設(shè)置[2]。 完成控制點(diǎn)布置工作后要利用GPS 或RTK 測量設(shè)備確認(rèn)出每個(gè)控制點(diǎn)的精準(zhǔn)坐標(biāo)。

（2）按照外業(yè)數(shù)據(jù)收集區(qū)域邊界及對(duì)應(yīng)的地形資料，在無人機(jī)地面端航線規(guī)劃軟件中規(guī)劃飛行任務(wù)。 結(jié)合公路建設(shè)項(xiàng)目特征，靈活調(diào)整無人機(jī)飛行參數(shù)設(shè)定，包括無人機(jī)拍攝間隔、航向重疊度、航行速度、相對(duì)航行高度等指標(biāo)。 在正式執(zhí)行無人機(jī)項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)收集航行任務(wù)前，應(yīng)確保航線、飛行參數(shù)以及無人機(jī)硬件設(shè)備的狀態(tài)均處于正常狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)信息化處理

無人機(jī)管理技術(shù)獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)須進(jìn)行信息化處理，處理過程主要包括以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)初始化、控制點(diǎn)刺點(diǎn)處理、3D 坐標(biāo)求解、3D 信息化模型搭建[3]。

1.2.1 數(shù)據(jù)初始化

在數(shù)據(jù)處理過程中，提取并匹配利用無人機(jī)拍攝獲取影像數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)位，得到相對(duì)較為稀疏的3D 點(diǎn)云模型。 利用該3D 點(diǎn)云模型，檢查驗(yàn)證拍攝設(shè)備校正數(shù)據(jù)、特征點(diǎn)位提取情況與項(xiàng)目實(shí)體匹配度、拍攝數(shù)據(jù)完整度。

1.2.2 控制點(diǎn)刺點(diǎn)處理

利用前期控制點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)體項(xiàng)目控制點(diǎn)3D 坐標(biāo)信息的信息化平臺(tái)錄入， 作為進(jìn)一步處理處理求解的基礎(chǔ)。

1.2.3 3D 坐標(biāo)求解

利用所提的少量控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)平差情況，接著反求無人機(jī)拍攝影像的內(nèi)方位元素點(diǎn)位以及外方位元素點(diǎn)位，從而求解區(qū)域各點(diǎn)位的數(shù)字3D 坐標(biāo)。

1.2.4 3D 信息化模型搭建

基于3D 坐標(biāo)點(diǎn)云加密， 通過信息化處理重構(gòu)3D 網(wǎng)格紋理，進(jìn)而搭建3D 信息化模型。 其中擬合公路建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域地形得到地表數(shù)字信息化模型，即DSM；應(yīng)用影像拼接技術(shù)，同時(shí)對(duì)正投影進(jìn)行糾偏，獲取數(shù)字信息化正射影像圖，即DOM。

2 技術(shù)應(yīng)用原理

2.1 3D 坐標(biāo)點(diǎn)云及其模型

通過項(xiàng)目現(xiàn)場測量及無人機(jī)拍攝獲取的區(qū)域外觀表面點(diǎn)位的數(shù)據(jù)集合稱作3D 坐標(biāo)點(diǎn)云。 結(jié)合測量及攝影理論可得到D 坐標(biāo)點(diǎn)云及其模型，模型中可讀取RGB 色彩信息、XYZ 3D 坐標(biāo)信息。 通過該模型能讀取并計(jì)算公路構(gòu)筑物空間位置信息以及尺寸信息等。

2.2 地表數(shù)字信息化模型

DSM 地表數(shù)字信息化模型主要是通過地表各點(diǎn)位高程信息集合來表征公路建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域的地表起伏狀態(tài)[4-5]。 利用該模型可以獲取工程項(xiàng)目斷面圖、透視圖等，實(shí)現(xiàn)輔助公路施工土石方計(jì)算、高程相關(guān)地貌信息分析以及表面覆蓋面積測算等功能。

2.3 數(shù)字信息化正射影像圖

DOM 數(shù)字信息化正射影像圖是基于無人機(jī)攝影影像和遙感影像，經(jīng)像元糾偏后，按照設(shè)定的圖幅自動(dòng)裁切獲取數(shù)據(jù)信息影像。 數(shù)據(jù)信息影響最大的特點(diǎn)是直觀性強(qiáng)，同時(shí)利用該模型可靈活便利地量測和判讀，包括量測面積、長寬幾何信息，判讀地表地形特性等[6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 質(zhì)量管理

無人機(jī)靈活性強(qiáng)，可出入各種人工不易到達(dá)的復(fù)雜區(qū)域范圍，收集邊坡及橋梁數(shù)據(jù)，信息化處理后獲取DOM 及3D 模型，結(jié)合公路建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料，可高效率分析路基邊坡平臺(tái)寬度、坡率及坡口線等工程質(zhì)量把控狀況（圖2）。

圖2 邊坡質(zhì)量分析情況

能對(duì)橋梁施工過程中的立柱、護(hù)筒中心點(diǎn)位等重要節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行施工質(zhì)量檢測（圖3），快速識(shí)別施工質(zhì)量瑕疵，最大限度避免安全問題，減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

圖3 橋梁質(zhì)量分析情況

3.2 施工進(jìn)度管理

利用無人機(jī)管理技術(shù)定期對(duì)公路施工區(qū)域進(jìn)行巡航得到數(shù)字信息化正射影像，全面分析進(jìn)度信息，包括形象進(jìn)度展示、征地拆遷進(jìn)度掌握、720 度實(shí)景圖生成以及5G 巡航功能實(shí)現(xiàn)等， 為管理者提供高效、直觀、便捷的管理體驗(yàn)。

3.2.1 形象進(jìn)度展示

形象進(jìn)度展示是進(jìn)度管理中的基礎(chǔ)性功能，可通過實(shí)景拍攝觀察工程施工進(jìn)度，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)道路帶狀3D 模型總覽及局部縮放（圖4）。 在瀏覽過程中也可通過點(diǎn)擊拉取等操作獲取任意位置的實(shí)際坐標(biāo)、范圍體積、區(qū)域面積、點(diǎn)位距離等。

圖4 進(jìn)度管理情況

3.2.2 征地拆遷進(jìn)度掌握

在公路工程建設(shè)前期須重點(diǎn)關(guān)注征地拆遷進(jìn)度問題，這直接決定了后續(xù)工程建設(shè)進(jìn)度。 傳統(tǒng)基于地形圖的征地拆遷政策宣傳直觀性不強(qiáng)，無法準(zhǔn)確向老百姓傳輸工程拆遷要點(diǎn)信息。 應(yīng)用無人機(jī)管理技術(shù)，可將數(shù)據(jù)信息化正射影像結(jié)合征地紅線信息導(dǎo)入信息化平臺(tái)，生成3D 展示圖像，直觀顯示涉及拆遷的農(nóng)田、林地及房屋分布情況（圖5）。 同時(shí)，對(duì)管理人員也可邊界掌握征地拆遷進(jìn)度信息。

圖5 征地拆遷信息

3.2.3 720 度實(shí)景圖生成

控制形工程的要點(diǎn)控制是公路建設(shè)管理的重要內(nèi)容，往往需要管理人員到現(xiàn)場進(jìn)行勘查，對(duì)工程建設(shè)推進(jìn)有一定的掣肘。 利用無人機(jī)管理技術(shù)生成的720 度實(shí)景圖可有效解決這一問題。 要實(shí)現(xiàn)這一功能，首先須進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制無人機(jī)懸停后利用云臺(tái)拍攝9 張圖片， 其中水平視角45°和0°各均勻角度4 張，90°視角地面拍攝1 張。 在數(shù)據(jù)處理過程中要結(jié)合720yun、Photoshop 以及PTGui 等軟件平臺(tái)， 將零散照片合并創(chuàng)建為720 度全景實(shí)景圖，上傳至手機(jī)及PC 端軟件，可實(shí)現(xiàn)視角跟隨、屏幕拖動(dòng)視角、場景切換等功能進(jìn)行查看，見圖6。

圖6 手機(jī)端720 度實(shí)景圖

3.2.4 5G 巡航功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)監(jiān)控管理已在諸多公路建設(shè)項(xiàng)目中得以應(yīng)用，而此類監(jiān)控往往角度固定，因此難以避免地存在監(jiān)控盲區(qū)，此外還有著管線斷路的風(fēng)險(xiǎn)。 而5G技術(shù)的出現(xiàn)提供了低延時(shí)、 大寬帶的技術(shù)支持，將其和無人機(jī)巡航技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)5G 巡航監(jiān)控功能，獲取實(shí)時(shí)4K 高清影像，確?？焖倬珳?zhǔn)決策，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線見圖7。

圖7 5G 巡航技術(shù)路線圖

3.3 工程量計(jì)量管理

利用無人機(jī)管理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)填挖方、清淤換填等工程環(huán)節(jié)的工程量計(jì)量管理，對(duì)區(qū)域?qū)嵤┣昂蟮母叱虜?shù)據(jù)信息和邊界信息進(jìn)行處理，利用軟件實(shí)現(xiàn)高精度工程量計(jì)量，見圖8、9。將該信息和施工方上報(bào)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可快速、精準(zhǔn)地對(duì)各方意見未達(dá)成共識(shí)部分內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，從而嚴(yán)格控制建設(shè)成本支出。

圖8 換填管理示意圖

圖9 土石方軟件測算示意圖

4 結(jié)語

無人機(jī)機(jī)動(dòng)性、靈活性強(qiáng)，利用其超低空遙感偵測手段可高效收集公路建設(shè)現(xiàn)場地形地貌數(shù)據(jù)；相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)信息化處理后可轉(zhuǎn)換為多種形式，通過計(jì)算機(jī)程序軟件實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)信數(shù)據(jù)息化管理；結(jié)合工程現(xiàn)場其它勘測數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確把控公路建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度及工程量計(jì)量等環(huán)節(jié)，為管理者提供高效、直觀、便捷的管理體驗(yàn)，也為公路建設(shè)管理體系開拓出創(chuàng)新性思路，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。