基于RTK無人機技術(shù)在工程計量復核中的應用

賴淑標 林曉鐘 中交第四航務工程局有限公司總承包分公司

1.引言

工程計量復核在工程項目全過程階段都具有重要意義，是對招標清單、施工圖紙等信息進行核對的過程，是投標階段實施的基礎性工作，同時在施工階段、竣工驗收前尤為重要，是項目驗收前必須重點開展的工作。在此過程中判斷工程量清單是否準確，復核的準確性直接影響后期投標策略的選擇和利潤的大小。李明波認為，在項目驗收前進行工程量復核有利于項目管理的數(shù)據(jù)化，保障工程質(zhì)量，同樣也是為了規(guī)避日后運營管理的風險和難度，有利于施工和運營單位的工作對接，降低運營維護難度，為施工單位樹立了良好企業(yè)形象贏得信譽優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的工程計量復核方法采用人工現(xiàn)場復核，需要多名專業(yè)檢測人員到達現(xiàn)場后，各自分段進行復核統(tǒng)計。但由于計量復核要素多、數(shù)據(jù)獲取慢、涉及人員和設備數(shù)量多、計量復核的方法復雜且落后，導致復核統(tǒng)計的質(zhì)量參差不齊。近年來，無人機發(fā)展迅速，以其靈敏度高、地形受限低、移動速度快、體積質(zhì)量小等優(yōu)點分布于各行各業(yè)的應用領域中，也逐漸將無人機應用在現(xiàn)場工程量復核工作中。

2.工程計量復核技術(shù)研究

2.1 傳統(tǒng)手段

工程計量復核類型也分為多種，工作內(nèi)容繁雜，以建筑物、構(gòu)筑物為例，傳統(tǒng)計量復核工程需要攜帶大量測量儀器，采用現(xiàn)場抽查的方式測量20%定位點，以復核竣工圖為例，在復核時需要經(jīng)過培訓的專業(yè)測量監(jiān)理工程師攜帶測量儀器對工程進行竣工測量，并將結(jié)果繪制成竣工圖。

但由于傳統(tǒng)方法在工程復核時涉及到設備和人員較多，出現(xiàn)的問題也會逐步累積，主要問題有施工現(xiàn)場測量點有誤、測量坐標計算有誤、測量方法選擇不當導致成果誤差大等，難以避免誤差累計，需要保證準確性則需要花費更多的時間嚴格要求整個測量過程，這就導致傳統(tǒng)方法難以突破復核工作效率瓶頸。因此在工程計量復核工作中，需要尋求一種復核誤差小且成本可控制的方法。

隨著研究人員的不斷探索以及無人機技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，學術(shù)界逐漸發(fā)現(xiàn)，無人機具備一定的智能化以代替人工開展工作，并且無人機加上RTK技術(shù)之后，定位精度更高、獲取的數(shù)據(jù)成果更加準確。由此，RTK無人機成為了工程計量復核工作的新型技術(shù)。

2.2 新技術(shù)手段

（1）RTK無人機技術(shù)。RTK技術(shù)建立在GPS技術(shù)上，基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，在測量領域中應用廣泛。RTK無人機技術(shù)基于RTK技術(shù)，利用無人機的空中優(yōu)勢在動態(tài)環(huán)境中完成指定坐標系中的三維定位和數(shù)據(jù)測量，并進行數(shù)據(jù)的實時處理。其厘米級的測量精度是傳統(tǒng)無人機技術(shù)定位精度的十倍之多，RTK無人機技術(shù)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)無人機技術(shù)定位誤差大、不能適用于高精度要求任務的問題，同時也使無人機技術(shù)利用RTK技術(shù)在工程測量領域占據(jù)一席之地，將復核工作帶上新的科技臺階，極大地提高了復核外業(yè)作業(yè)效率。

同時，RTK技術(shù)也有其弊端。即RTK技術(shù)依賴于GPS衛(wèi)星定位，在高層建筑、茂密深林、強電磁源、極端環(huán)境等區(qū)域附近，無人機會受到較嚴重的衛(wèi)星信號干擾，無法使用RTK無人機開展工作或獲取的數(shù)據(jù)將不準確，因此使用RTK無人機進行工程計量復核工作時需要對工程現(xiàn)場的環(huán)境進行考察和選擇。

（2）應用流程。與傳統(tǒng)工程計量復核流程的區(qū)別在于，可以使用RTK無人機代替人工到驗收現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，無人機能夠根據(jù)已有航線對工程計量復核目標進行自動測量并收集標準化測量數(shù)據(jù)，生成云數(shù)據(jù)反饋傳輸?shù)綗o人機數(shù)據(jù)處理的內(nèi)業(yè)工作中，提高了數(shù)據(jù)采集階段的效率和質(zhì)量，使原本工作量巨大的數(shù)據(jù)采集問題得以輕松解決，同時簡化人工參與的重復性工作、提高工作效率、降低人工成本。

使用無人機進行工程計量復核的步驟主要分為三大部分，分別是前期準備階段、外業(yè)任務階段和內(nèi)業(yè)工作階段，其中，外業(yè)任務階段主要需要人員到現(xiàn)場開展工作，包括規(guī)劃飛行任務、架設基站采集三維坐標點、無人機航飛采集像控點等；內(nèi)業(yè)工作任務主要是根據(jù)無人機獲取的數(shù)據(jù)處理形成工程計量復核數(shù)據(jù)和測試報告等。

（3）無人機遠程控制基站。如果需要重復的開展相同位置的工程計量復核工作，架設基站采集三維坐標點的步驟僅需要在第一次開展工作的時候完成即可，后續(xù)進行工程計量時可繼續(xù)沿用。而無人機獲取數(shù)據(jù)的步驟每次進行工程計量復核時都需要開展。當作業(yè)任務頻繁時，為了減少人員到現(xiàn)場的次數(shù)或是對于一些外業(yè)較遠的地區(qū)，例如需要出省采集數(shù)據(jù)地區(qū)，尤其在現(xiàn)階段新冠疫情影響無法出市或者出省、甚至無法出門隔離在家的情況下，復核人員難以到達工程現(xiàn)場，對工程復核工作影響極大。為降低對工程階段的影響，及時完成工程復核工作，可使用無人機遠程控制基站進行工程量復核數(shù)據(jù)的遠程采集。

無人機遠程控制基站是無人機技術(shù)順應時代發(fā)展的必然產(chǎn)物，代替無人機操作員在項目工地24小時的待命駐場。它是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、信息化平臺開發(fā)技術(shù)，集齊無線自動充電、自動執(zhí)行飛行任務、自動數(shù)據(jù)上傳、智能起飛降落、數(shù)據(jù)云端存儲、數(shù)據(jù)遠程查閱與下載等功能的無人機換能站、中繼站和休息站，提高工作效率，使RT K無人機在項目工程中的應用如虎添翼。

無人機操作員在家或在辦公室就能在電腦上設置無人機航線，遠程操作工程現(xiàn)場駐場的RTK無人機自動采集復核數(shù)據(jù)，對于一些需要手動控制飛行拍攝的采樣點，也可遠程操作拍攝，將出行影響降到最低。無人機遠程控制基站與RTK無人機的結(jié)合進一步提高了工程復核工作效率，直接消除工地與復核工作單位的地理距離，隨時隨地開展數(shù)據(jù)采集工作。

一般而言，工程復核現(xiàn)場環(huán)境各不相同且錯綜復雜，無人機飛行航線需到達現(xiàn)場后根據(jù)環(huán)境和測量目標特征設置，航線高程點提取分為批量高程點提取以及人工提點兩部分，其中前者可以結(jié)合GIS地圖直接規(guī)劃航線使用RTK無人機解決，后者需要人工操作提取隱蔽地方的高程點，如機械設備底下，采集密度可根據(jù)地形復雜程度自行設置，當?shù)匦魏軓碗s時，采點密度由 0.5m-5m 不等；當?shù)匦魏芷骄彆r，采點密度5-10m不等。

圖1 無人機工程計量復核工程流程

3.RTK無人機工程計量復核應用案例

3.1 項目簡介

下面以廣東省某高速公路建設項目路基段土方工程量復核為例，介紹RTK無人機在工程計量復核中的應用。該項目涉及線路全長為6km左右，總體呈現(xiàn)南北走向，以山地、丘陵為主，關(guān)鍵工程包括橋梁、隧道、路基、涵洞、預制梁預制等，測量區(qū)域位于郊區(qū)，經(jīng)過前期的研究評估，該地區(qū)衛(wèi)星信號較穩(wěn)定，不影響RTK無人機的使用。

3.2 應用說明

該項目在路基部分使用RTK無人機進行土方計量復核工作。

首先由無人機操作員進行現(xiàn)場勘測，根據(jù)地形地貌設置好無人機的飛行航線，飛行范圍覆蓋需要進行土方測量的范圍，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準，在設置復核航線時需確定飛行任務范圍、比例尺、可明確辨認的GSD（即像素點）等。

同時，根據(jù)項目設計的地面控制點分布布設5個控制點、5個校核點用于精度控制，像控點需要布設在航向旁向重疊的公共區(qū)域使控制點能夠公用；采用千尋CORS系統(tǒng)進行RTK測量，每個點采用控制點測量方式實測3次取平均值，平面坐標采用國家2000坐標系，中央子午線114度，投影面參考橢球面。

完成飛行航線布設之后，分別于每月月初和月末通過RTK無人機采集路基段航拍數(shù)據(jù)，飛行過程中操作員對誤差航點進行修改，無人機降落后對數(shù)據(jù)進行檢查并將部分不合格數(shù)據(jù)重新采集，直到獲取的影像資料滿足要求，最終完成整個工程作業(yè)面的復核數(shù)據(jù)采集。

3.3 無人機遠程控制基站的使用

本項目為線性工程，全線長約6公里，無人機遠程控制基站覆蓋范圍是半徑3公里，在項目區(qū)域中心位置布設一臺無人機遠程控制基站，輔助開展工程計量工作?；诖耍こ逃嬃繌秃说恼麄€外業(yè)過程僅需1名無人機操作員，且該操作員無需達到現(xiàn)場，可實時進行遠程控制，使無人機起飛采集有效影像數(shù)百張并結(jié)合CASS_3D平臺下的采編工具，可使數(shù)據(jù)采集過程中進行智能分析，實現(xiàn)三維空間建筑智能辨識，做到采集高效、便捷、精確、智能，大大減少了復核工作所需的時間成本和人力資源。采集到的云數(shù)據(jù)可作為多種成果呈現(xiàn)的原始數(shù)據(jù)，利用率高，可根據(jù)不同需求處理成DEM成果、正射影像模型等，亦可以直接使用照片或影像作為驗收素材。

采集到的數(shù)據(jù)需要進行精度驗證，滿足要求后才能對其進行下一步數(shù)據(jù)處理，否則需要重新采集，數(shù)據(jù)的絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差精度應當滿足《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》（GBT23236-2009）1∶500及《城市測量規(guī)范》中1:500地形圖的要求。

該項目土方計量計算分為三階段進行，第一期地形圖根據(jù)航飛數(shù)據(jù)進行空三計算，用實景三維建模系統(tǒng)（Smart3D Capture Master）進行像點坐標量測，通過自動空三軟件進解算形成點云，隨后在CASS_3D獲取高程點，在本次舉例的項目中采集距離為5m，高程點采用南方CASS9.1進行三角網(wǎng)計算；第二期地形圖根據(jù)航飛數(shù)據(jù)進行空三計算，坐標系以及高程系統(tǒng)采用第一期系統(tǒng)形成點云獲取高程點；根據(jù)兩期高程點，圈定測算范圍，對兩期土方量計算，采用CASS10.0工程應用的三角網(wǎng)法土方計算兩期土方得到挖填方量，計算結(jié)果如圖2，在南方CASS9.0成圖專業(yè)軟件平臺下進行地形圖遍繪，建立測區(qū)圖庫，圖幅接邊，并輸出成圖，完成土方計量復核工作。

圖2 土方量復核計算結(jié)果圖

4.結(jié)束語

本文通過與傳統(tǒng)復核工作進行對比、RTK無人機技術(shù)分析以及廣東省某高速公路的項目案例進行RTK無人機在工程計量復核工作中的應用說明：RTK無人機復核技術(shù)將工作重點從外業(yè)獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，同時又利用強大的計算機平臺將數(shù)據(jù)處理簡單化，使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的難度進一步降低，化繁為簡實現(xiàn)效率與質(zhì)量的瓶頸突破。無人機RTK技術(shù)是驗收前工程復核工作效率提升的重要科技產(chǎn)物，尤其是利用無人機遠程控制基站實現(xiàn)了遠程操控無人機，在各種因素無法出行時也能異地執(zhí)行飛行任務，基本就能夠解決工程計量復核工作需要項目負責人到達現(xiàn)場逐一檢查的問題，在人力投入精簡化的行業(yè)大趨勢面前，工程復核工作能夠精簡人力資源同時提高工作效率和工程質(zhì)量、降低人工成本順應了時代潮流的發(fā)展。

RTK無人機技術(shù)的運用，使工程驗收前的復核工作在節(jié)約成本的同時更高效、更科學、更直觀，為企業(yè)技術(shù)水平提上了新臺階，增強了企業(yè)軟實力。