低成本無人機(jī)建模在公路施工前期中的應(yīng)用

羅滔 范宇軒 朱祥慧

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川成都 610000）

1.項(xiàng)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(jìn)入涼山州雷波、金陽、寧南、會東、會理，最后到達(dá)攀枝花市區(qū)。路面為雙向四車道，設(shè)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(xiàng)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(jī)航測建模及模型分析，輔助總規(guī)設(shè)計及地質(zhì)安全防控。項(xiàng)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(xiàng)目航拍如圖1所示，施工線路地圖如圖2所示。

圖1 施工項(xiàng)目航拍圖

圖2 施工線路地圖

2.技術(shù)選擇

2.1 航測儀器的選擇

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

性能參數(shù)：相機(jī)型號：FC310R；傳感器尺寸：13.2mm×8.8mm；像幅尺寸：5472×3648；相機(jī)焦距：8.8mm；抗風(fēng)等級：6級。相元大?。?.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(shí)時差分定位技術(shù)，領(lǐng)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(jìn)行免像控作業(yè)精度可達(dá)厘米級。

2.2 建模軟件的選擇

在對于無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行空中三角測量后使用Engine對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)、手機(jī)、無人機(jī)載相機(jī)?；贑C生成的模型使得用戶能夠通過分析，準(zhǔn)確地掌握所需要構(gòu)建物體和對象的實(shí)際情況，進(jìn)行與之相關(guān)的風(fēng)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(fēng)險，減少了成本[1]。

3.航拍實(shí)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(jī)精度不高，但這并不影響總體規(guī)劃。下面就具體工程項(xiàng)目，通過對方案的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)處理后的分析對輔助總規(guī)設(shè)計與地質(zhì)風(fēng)險防控的有效性進(jìn)行闡述。

3.1 航拍方式

飛控軟件參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 飛控軟件參數(shù)設(shè)置

（1）本項(xiàng)目因地形及紅線設(shè)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(jìn)行更精細(xì)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(jī)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(dǎo)致無人機(jī)無法把控出現(xiàn)“炸機(jī)”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(shè)置為80%；旁向重疊率設(shè)定達(dá)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(jī)，在起飛前拍攝實(shí)驗(yàn)片，檢查ISO感光度、光圈、快門速度等相機(jī)參數(shù)設(shè)置，無問題后起飛進(jìn)行航拍。起飛時按照Rockycapture中相關(guān)提示及按鈕，系統(tǒng)操作無人機(jī)飛至航線起點(diǎn)，進(jìn)行航線拍攝，默認(rèn)為2s拍攝一張。拍攝完成后將無人機(jī)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(jī)所拍攝的照片導(dǎo)入其中，CC確認(rèn)無誤后單擊“submit aerotriangulation”對素材照片進(jìn)行空中三角測量，指定控制點(diǎn)選擇“photo have positioning metadata”，選擇系統(tǒng)默認(rèn)計算參數(shù)后單擊“next”進(jìn)行空中三角計算?？罩腥菧y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(shí)地相應(yīng)的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型，從而獲取各個關(guān)鍵點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，此為模型重建的基礎(chǔ)，建議在模型重建前進(jìn)行2～3輪的空三測量。運(yùn)行“Context Capture Center Engine”，單擊“new construction”，進(jìn)行建模工作，在建模前可針對項(xiàng)目需求，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。因計算機(jī)在計算渲染模型時需大量使用運(yùn)行內(nèi)存，建議在建立模型前對所拍攝區(qū)域進(jìn)行切塊處理，保持所需運(yùn)行內(nèi)存占計算機(jī)總內(nèi)存的2/3左右，避免計算機(jī)的工作壓力及難度過高導(dǎo)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(jìn)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(jī)航測建簡化大量現(xiàn)場測量工作，對人員無法到達(dá)的區(qū)域均能通過模型采集數(shù)據(jù)。（2）實(shí)景模型能更高地還原現(xiàn)場實(shí)際地形和全局影象，對于潛在的地質(zhì)風(fēng)險點(diǎn)、山體裂縫、坡度均可通過模型獲得較為準(zhǔn)確的參數(shù)，能在模型上進(jìn)行標(biāo)注及分析，同時可在模型上確定便道路線及便橋位置進(jìn)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(diǎn)、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(shí)景模型實(shí)現(xiàn)電子沙盤功能，能更高地還原現(xiàn)場實(shí)際地形和全局影象，便于結(jié)合現(xiàn)場地形地貌分析擬實(shí)施的工程線路走向，從方案上規(guī)避了不良地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的影響，通過模型獲得對于施工便道、便橋、防護(hù)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(shí)體工程量，有利對工程狀況進(jìn)行跟蹤檢，通過多次建模進(jìn)行對比，以分析施工過程中完成情況及進(jìn)行方案調(diào)整，為施工組織提供有效參考。（6）整個無人機(jī)拍攝及建模過程，風(fēng)險低、速度快、成本低廉，所獲得的實(shí)際效益卻十分有效。

6.項(xiàng)目總結(jié)

航測技術(shù)以及三維建模的運(yùn)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(hù)網(wǎng)、樁基位置、挖填方量、棄土場選擇等進(jìn)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(shí)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(yīng)用方案。相信隨著現(xiàn)代化技術(shù)水平的提高，三維實(shí)景建模將會迅速普及，助力公路施工數(shù)字化進(jìn)程。