無(wú)人機(jī)三角法測(cè)量技術(shù)在航道施工監(jiān)管中的快速判定應(yīng)用研究

◎ 林迪 廣西壯族自治區(qū)梧州航道養(yǎng)護(hù)中心

1.引言

無(wú)人機(jī)在航道管理中的應(yīng)用日趨成熟，工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)可提供定制級(jí)的解決方案，搭載不同的任務(wù)平臺(tái)進(jìn)行航道巡查、航空測(cè)繪[1]等工作，但受價(jià)格成本制約難以推廣使用。普通的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)因便攜性佳和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，如今在航道管理工作中應(yīng)用更為普遍，但其用途一般只限于短距離巡航、航拍取證等方面。在航道工程施工監(jiān)管中，經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用分析，利用無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)中的“與返航點(diǎn)距離”功能，通過(guò)使用三角法[2]設(shè)定參考點(diǎn)，設(shè)計(jì)飛行路線，可實(shí)現(xiàn)施工船舶作業(yè)位置與作業(yè)區(qū)邊界的距離測(cè)算，快速判定其是否在規(guī)定的施工區(qū)域內(nèi)作業(yè)，高效地進(jìn)行施工監(jiān)管。

2.無(wú)人機(jī)三角法測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

三角法測(cè)量技術(shù)是利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的“與返航點(diǎn)距離”功能和地圖模式界面的飛行軌跡線，飛抵測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)位，使用相機(jī)俯拍模式輔助定點(diǎn)懸停，通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的飛行路線，以其為基礎(chǔ)組成直角三角形并獲取特定目標(biāo)點(diǎn)位的與返航點(diǎn)距離數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)間的直線距離測(cè)算。

以大疆御pro鉑金版機(jī)型為例，當(dāng)GPS信號(hào)強(qiáng)度和定位衛(wèi)星數(shù)量足夠時(shí)，水平懸停精度可達(dá)到+/-0.3米，該機(jī)型用于三角法測(cè)量的相關(guān)配置參數(shù)見表1。

表1 大疆御Pro鉑金版部分參數(shù)配置表

飛行控制系統(tǒng)APP為DJI GO 4，控制界面地圖模式如圖1所示，使用三角法測(cè)量?jī)牲c(diǎn)距離，例如圖1上的A、C兩點(diǎn)，在確定返航點(diǎn)H后，設(shè)計(jì)飛行路線H→C→A→B，利用飛行路線軌跡組成直角三角形，獲取返航點(diǎn)H與測(cè)點(diǎn)C、A和垂足B的距離數(shù)據(jù)。

圖1 DJI GO 4系統(tǒng)控制界面（地圖模式）及三角法測(cè)量圖示

兩個(gè)測(cè)量對(duì)象點(diǎn)A、C間的直線距離定義為L(zhǎng)，其中A為與返航點(diǎn)H的近端點(diǎn)，C 為與返航點(diǎn)H的遠(yuǎn)端點(diǎn)。返航點(diǎn)H與三個(gè)特定點(diǎn)位C、A、B的距離數(shù)據(jù)，分別定義為L(zhǎng)c、La、Lb，當(dāng)垂足B在AC直線連線的延長(zhǎng)線上，根據(jù)勾股定理推導(dǎo)出計(jì)算公式為：

當(dāng)垂足B在AC直線連線上，則計(jì)算公式為：

3.無(wú)人機(jī)三角法測(cè)量技術(shù)在航道施工監(jiān)管中的應(yīng)用

某疏浚施工廢碴處理工程需要在一段岸線對(duì)開水域的卸區(qū)內(nèi)臨時(shí)堆放的超量拋卸物進(jìn)行清理作業(yè)，施工方案要求作業(yè)船舶不能跨越卸區(qū)邊界施工。

3.1 確定參考線

根據(jù)設(shè)計(jì)圖所示（圖2），卸區(qū)為一個(gè)不規(guī)則的區(qū)域，卸區(qū)外側(cè)邊線與各段壩田內(nèi)的岸線基本平行，長(zhǎng)度為927米，其端點(diǎn)X到岸線、航道左邊線的最短距離分別為167米、117米，端點(diǎn)Y到岸線、航道左邊線的最短距離分別為262米、159米。

圖2 某疏浚施工廢碴處理工程卸區(qū)圖

在這個(gè)應(yīng)用案例中，卸區(qū)有上游、下游和外邊線（X Y）這三條邊界，且施工區(qū)域也不僅限于在丁壩的壩田內(nèi)，情況較為復(fù)雜，上游和下游的邊界可以在岸上找到參照物判斷，但對(duì)施工船舶是否超出外邊線難以界定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，施工區(qū)域所處河道的岸線較順直，與卸區(qū)的內(nèi)邊線WZ基本重合，可以在這段岸線或其延長(zhǎng)線上找到適合無(wú)人機(jī)起降的場(chǎng)地，最后確定在卸區(qū)上游與這段岸線處于同一直線上的一個(gè)加油站內(nèi)，于其邊緣處空地上選擇一點(diǎn)作為返航點(diǎn)，以岸線WZ及延長(zhǎng)線作為直角邊參考線（見圖3），卸區(qū)最大寬度YZ=262米為上限，使用三角法測(cè)算出施工船舶到岸線參考線的距離，當(dāng)這一數(shù)值大于262米時(shí)，即可判定施工船舶超出了卸區(qū)外邊線XY。

圖3 卸區(qū)參考線衛(wèi)星圖

3.2 應(yīng)用實(shí)測(cè)

在某天對(duì)該工程的施工監(jiān)管中，無(wú)人機(jī)三角法對(duì)施工船舶位置快速判定的實(shí)測(cè)過(guò)程如下：

（1）無(wú)人機(jī)起飛后，飛抵卸區(qū)下游外邊線丁壩靠岸線的端點(diǎn)Z定點(diǎn)懸停，調(diào)整航向角指向返航點(diǎn)H然后徑直返回，在地圖中飛出直線航跡作為岸線參考線（圖4）。

圖4 參考線航跡及施工船A定點(diǎn)

（2）飛抵施工船A的正上方定點(diǎn)懸停，記錄H點(diǎn)與該點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)。

（3）調(diào)整航向角指向岸線，飛抵岸線找到施工船A到岸線參考線的垂足B1，進(jìn)行直角校正，測(cè)出B1到H點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)635米。

（4）按照上述方法，完成對(duì)施工船C、D、E的與返航點(diǎn)距離及到參考線垂足的距離數(shù)據(jù)測(cè)算。

綜合數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 三角法測(cè)算施工船到岸線距離示意圖

（5）根據(jù)公式計(jì)算出施工船A、C、D、E到岸線參考線的距離分別為AB1=254.2米、CB2=229.4米、DB3=332.8米、EB4=282.2米，比對(duì)卸區(qū)邊線數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)航拍照片（圖6），可判定施工船舶A、C在卸區(qū)范圍內(nèi)作業(yè)，施工船D、E到岸線距離大于卸區(qū)端點(diǎn)Y到岸線丁壩端點(diǎn)Z的距離262米，超出了卸區(qū)范圍。

圖6 三角法測(cè)算施工船現(xiàn)場(chǎng)航拍

3.3 與傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)比

在上述施工監(jiān)管應(yīng)用案例中，若使用傳統(tǒng)方法測(cè)量河道中施工船舶到岸線的距離，只能靠測(cè)量人員使用GPS測(cè)量?jī)x、全站儀、測(cè)距儀等儀器，且必須登上船舶或抵達(dá)船舶到岸線的垂直連線點(diǎn)方可進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)效率低，對(duì)交通工具和測(cè)量點(diǎn)位置要求高，若施工船舶的作業(yè)位置變化了還需要重新布點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法快速準(zhǔn)確地判定施工船舶與施工作業(yè)區(qū)邊界的距離，也無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)行為并固定證據(jù)。

經(jīng)過(guò)施工監(jiān)管應(yīng)用實(shí)測(cè)分析，無(wú)人機(jī)三角法測(cè)量技術(shù)可應(yīng)對(duì)多種情形的距離測(cè)量工作，即使面對(duì)情況復(fù)雜的案例，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮⒖季€和設(shè)計(jì)合理的飛行路線也能進(jìn)行有效監(jiān)管，其優(yōu)點(diǎn)在于操作步驟簡(jiǎn)單易懂，測(cè)量耗時(shí)少效率高，且基本不受地形、通視等因素的影響，目前市價(jià)千元級(jí)別的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)都帶有可用于三角法測(cè)量的功能，性價(jià)比極高。不過(guò)，其局限性是容易受到天氣因素影響，在大風(fēng)和下雨等天氣情況下不能使用。

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)三角法測(cè)量技術(shù)開展深入研究，在航道施工監(jiān)管中進(jìn)行應(yīng)用探索與實(shí)踐分析，驗(yàn)證了該方法在航道施工監(jiān)管中快速判定的有效性和可操作性，為航道管理探索出高效和高性價(jià)比的應(yīng)用方法。