丁遵隆 嚴(yán)利燕

摘 要：無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，在水利工程勘測(cè)項(xiàng)目中，有很多環(huán)節(jié)實(shí)際使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行工作。本文結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)無(wú)人機(jī)在水利工程中的應(yīng)用情況及其可以實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)查，現(xiàn)作如下表述，希望能對(duì)相關(guān)行業(yè)有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：小型無(wú)人機(jī);水利工程;勘測(cè);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV221? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0103-03

水利工程是為了控制、利用和保護(hù)地表及地下水資源與環(huán)境而修建的各項(xiàng)工程建設(shè)的總稱。按其服務(wù)對(duì)象，可分為防洪工程、農(nóng)田水利、水力發(fā)電、航道和港口工程、供水和排水工程、環(huán)境水利工程、海涂圍墾工程等[1]。中小型水利工程勘測(cè)，通常存在項(xiàng)目規(guī)模小，投資不高，技術(shù)人員少，技術(shù)復(fù)雜等問題。而小型無(wú)人機(jī)便于攜帶、起降靈活，可以實(shí)現(xiàn)自主飛行與低空飛行，較好地契合了小型水利工程的規(guī)模小，技術(shù)人員少的特點(diǎn)。

小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，通常由飛行平臺(tái)、傳感器系統(tǒng)、操控軟件、地面輔助設(shè)備等組成，其中，傳感器的基礎(chǔ)功能包括攝像及攝影，也可以結(jié)合輔助設(shè)備包括定位定姿系統(tǒng)、聲像系統(tǒng)、光電系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)更多功能，具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)等特點(diǎn)[2]。目前，小型無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以開展測(cè)繪航空攝影、攝影測(cè)量等工作。

1攝影攝像

小型無(wú)人機(jī)的基本功能是攝影攝像，該功能在水利工程中的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：①丘陵地區(qū)、線狀工程的現(xiàn)場(chǎng)勘查航拍;②制作全景VR產(chǎn)品。

1.1現(xiàn)場(chǎng)查勘

丘陵、山區(qū)地帶的水利項(xiàng)目的特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件較差、交通不便，而需要查勘、了解的信息較多。傳統(tǒng)作業(yè)模式需要設(shè)計(jì)人員步行上山實(shí)地查勘，該模式效率低下，部分區(qū)域需要向?qū)?，甚至后勤人員搬運(yùn)物資徒步上山，工作難度大、效率低，且存在一定的安全隱患。小型無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)作業(yè)模式的缺點(diǎn)?？辈烊藛T攜帶無(wú)人機(jī)作業(yè)，相當(dāng)于在項(xiàng)目空中多了一雙眼睛，小型無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以做到7km的無(wú)線圖傳信號(hào)，在實(shí)際山區(qū)操作過程中，可以實(shí)現(xiàn)1km以內(nèi)的安全飛行，可以對(duì)項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀情況一覽無(wú)遺。海涂圍墾、河道等線狀工程，縱向大，橫向窄，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)勘查不能很好地了解工程全貌，需要多人多次到現(xiàn)場(chǎng)分段分點(diǎn)了解。而無(wú)人機(jī)航拍可以一次性將起飛位置半徑5km的現(xiàn)場(chǎng)面貌進(jìn)行航拍視頻拍攝，數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)便，效率高。此類線狀工程的現(xiàn)場(chǎng)查勘，特別適合用無(wú)人機(jī)作為輔助手段。

數(shù)據(jù)獲取由無(wú)人機(jī)的攝影攝像功能完成，通過操控設(shè)備，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行拍照，成果自動(dòng)保存在無(wú)人機(jī)設(shè)備的存儲(chǔ)卡中，內(nèi)業(yè)只需要對(duì)存儲(chǔ)卡中的圖像、視頻進(jìn)行拷貝即可，成果以TIF格式的圖像及MOV格式的影像文件為主。數(shù)字資料可以長(zhǎng)期保存，便于管理，反復(fù)調(diào)閱，利于后期的檔案制作。

1.2 VR全景產(chǎn)品制作

VR全景，是將相機(jī)環(huán) 360 度拍攝的一組或多組照片拼接成一個(gè)全景圖像，其算法是通過識(shí)別匹配特征點(diǎn)對(duì)，去除錯(cuò)誤的匹配特征點(diǎn)對(duì)，保留正確的匹配特征點(diǎn)對(duì)，從而進(jìn)行提純和拼接，實(shí)際運(yùn)用中相鄰圖像有約30%的重疊度即可完成全景圖的制作。有了全景圖之后，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位的真實(shí)場(chǎng)景還原，并可以進(jìn)行互動(dòng)[3]。

專業(yè)VR全景相機(jī)需要多個(gè)鏡頭，在固定點(diǎn)的水平方向及上下方向進(jìn)行圖片素材采集。無(wú)人機(jī)技術(shù)可以從空中進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)無(wú)人機(jī)攜帶的鏡頭參數(shù)，通常以水平0°、俯角30°、俯角60°、俯角90°、仰角30°，以水平及豎直重疊度不低于30%的要求對(duì)項(xiàng)目地進(jìn)行照片拍攝，即可獲取到可以進(jìn)行全景圖制作的基礎(chǔ)資料。全景圖的制作主要通過Helmut Dersch公司的PTgui軟件進(jìn)行，輸出全景圖之后，再通過Photoshop軟件對(duì)全景圖進(jìn)行細(xì)節(jié)完善。制作完成后的全景圖可以上傳到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在線瀏覽，也可以使用Pano2VR軟件，將全景圖制作成FLASH文件，便于離線瀏覽。

制作完成的全景圖，反映的是項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在勘察設(shè)計(jì)過程中，既可以直接通過VR全景圖與參建各方進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)展示，也可以在全景圖的基礎(chǔ)上，制作成可以進(jìn)行互動(dòng)的設(shè)計(jì)效果圖。如圖1所示。

2無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

航空攝影測(cè)量，是從二維對(duì)地觀測(cè)影像提取三維地表空間信息的一門科學(xué)與技術(shù)。該技術(shù)從一開始利用各項(xiàng)輔助數(shù)據(jù)減少地面控制點(diǎn)成圖，到以3S（GPS、GIS、RS）為主要技術(shù)手段，以4D產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG、DRG）生產(chǎn)為最終目標(biāo)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代[4]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前小型無(wú)人機(jī)也可以進(jìn)行4D產(chǎn)品制作，且更加安全便捷，成本也更低。

以大疆無(wú)人機(jī)為例，其2018年出品的Phantom4RTK，通過無(wú)人機(jī)自主飛控軟件DJI GS pro，按照航空攝影規(guī)范劃分航測(cè)分區(qū)及航線，設(shè)置航拍參數(shù)如相片重疊度、航線旋偏角、飛行高度等，即可以使無(wú)人機(jī)按照既定規(guī)劃航線自主飛行，自主拍攝，自主返航，完成航空相片拍攝工作。外業(yè)相片拍攝時(shí)，還需要布設(shè)足夠的地面像控點(diǎn)，并測(cè)量其坐標(biāo)、高程。至此，外業(yè)數(shù)據(jù)采集便完成了，相比傳統(tǒng)測(cè)量方法，極大地節(jié)約了人力、物力。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，使用Pix4Dmapper軟件。Pix4Dmapper 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解決了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理過程中的 POS 信息不準(zhǔn)確或沒有、處理速度慢、操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大等問題， 實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的快速、自動(dòng)化、專業(yè)化的高精度處理， 無(wú)需專業(yè)知識(shí)，無(wú)需人工干預(yù)，即可將數(shù)千張影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。該軟件的成果包括正射影像圖DOM、數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字地面模型DEM、Google瓦片KML、三維模型OBJ、三維點(diǎn)云LAS/文本、空三結(jié)果和精度報(bào)告等[5]。數(shù)據(jù)處理時(shí)，加入外業(yè)相片控制點(diǎn)，進(jìn)行空三解算、絕對(duì)定向，制作完成的帶有準(zhǔn)確坐標(biāo)、高程信息DOM、DSM可以通過EPS地理信息工作站成圖。制作完成的數(shù)字線劃圖DLG，成果精度經(jīng)驗(yàn)證可以滿足1：1000大比例尺地形測(cè)量的需要[6]。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用使傳統(tǒng)測(cè)繪工作流程更優(yōu)，效率更高。

制作完成的3D產(chǎn)品，可以有效地應(yīng)用在水利工程建設(shè)的各個(gè)階段。DLG是傳統(tǒng)的測(cè)繪地形圖，是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料;DOM正射影像，具有地圖幾何精度和影像特征，可以使設(shè)計(jì)人員更加直觀地了解到現(xiàn)場(chǎng)情況;DEM成果，可以應(yīng)用于水利規(guī)劃，河流治理、水庫(kù)工程等[7]。數(shù)字測(cè)繪3D產(chǎn)品能定性又定量地全面反映工程現(xiàn)場(chǎng)的情況，是勘察設(shè)計(jì)及后期施工的基礎(chǔ)資料。如圖2所示。

3傾斜攝影測(cè)量

傾斜攝影是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)正射影像DOM相機(jī)垂直拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)影像傳感器，從不同角度采集影像，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況。該技術(shù)可以快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息[8]。

隨著科技發(fā)展，測(cè)繪行業(yè)的產(chǎn)品不僅局限于二維地圖和定位導(dǎo)航，傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量成果主要體現(xiàn)在4D產(chǎn)品上，而傾斜攝影測(cè)量除了能生產(chǎn)傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品外，主要產(chǎn)品還包括真三維場(chǎng)景和數(shù)字表面模型，可以給用戶帶來更逼真的感官體驗(yàn)，更直接、更廣泛地用于地理信息各個(gè)領(lǐng)域[9]。

使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，與傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法相似，在外業(yè)航拍時(shí)，航空攝影測(cè)量是以像片傾角小于2°～3°的豎直航空攝影像片為原數(shù)據(jù)，而傾斜攝影測(cè)量則是除豎直航空攝影像片之外，增加了多個(gè)傾斜等不同角度采集的影像，這一部分影像既可以通過一臺(tái)無(wú)人機(jī)搭載多臺(tái)傳感器進(jìn)行一架次航拍獲得，也可以通過一臺(tái)無(wú)人機(jī)搭載一臺(tái)傳感器進(jìn)行多架次飛行獲得。

在完成數(shù)據(jù)獲取后，使用Bentley ContextCapture軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模，該軟件通過空中三角測(cè)量、生成密集點(diǎn)云以及構(gòu)建TIN模型、自動(dòng)紋理切片映射等環(huán)節(jié)生成三維實(shí)景模型，自動(dòng)化程度高，人工干預(yù)少，生產(chǎn)成本低，高效快速[10]。成果包括開放格式3MX、自有格式S3C、OSJB、Esri i3s scene database格式等，其中Esri i3s scene database格式成果可以對(duì)接到ArcGis中使用，OSJB格式可以應(yīng)用于EPS地理信息工作站，通過該工作站制作4D測(cè)繪產(chǎn)品?；趦A斜攝影測(cè)量可以進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，制作完成的大比例尺地形圖可以滿足1：500大比例尺地形圖測(cè)量要求[11]。其他處理后的數(shù)據(jù)可用于數(shù)字地圖和表面建模、質(zhì)量和體積計(jì)算以及建筑信息建模（BIM）。

在水利工程中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水工建筑物安全鑒定及除險(xiǎn)加固，需要對(duì)建筑物形體進(jìn)行全面測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量工作中全站儀可以完成該項(xiàng)工作，但需要外業(yè)多次架設(shè)儀器，多角度對(duì)建筑物立面、剖面等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪圖。但是由于傳統(tǒng)的平面、斷面圖較為抽象，成果不夠直觀，需要技術(shù)人員有較高的專業(yè)技能才能讀懂，增加了很多溝通成本。而傾斜攝影建模通過無(wú)人機(jī)外業(yè)獲取的影響數(shù)據(jù)完成三維建模，不僅可以清晰展示建筑物的輪廓、表面紋理，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的立體量測(cè)。設(shè)計(jì)人員使用Acute 3D Viewer軟件，就能直觀地看到建筑物的情況，針對(duì)需要的信息就是數(shù)據(jù)獲取，了解建筑物、項(xiàng)目區(qū)的各項(xiàng)參數(shù)。還可以通過Portal for ArcGIS 將傾斜攝影模型發(fā)布成Web service，以支持網(wǎng)頁(yè)及App形式的訪問和搭建使用。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模生成的實(shí)景三維建模還可以在工程建設(shè)過程中為各種分析和評(píng)估提供依據(jù)。精確的地形規(guī)劃項(xiàng)目和管理是確保項(xiàng)目質(zhì)量的重中之重，而在傳統(tǒng)測(cè)繪方式中，獲取高精度測(cè)繪成果往往意味著高昂的時(shí)間、人員和設(shè)備成本。小型無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)勘測(cè)行業(yè)帶來了技術(shù)革新與進(jìn)步。

4結(jié)束語(yǔ)

小型無(wú)人機(jī)是一項(xiàng)具有天然優(yōu)勢(shì)的高科技技術(shù)。針對(duì)小型水利工程的相關(guān)應(yīng)用，對(duì)水庫(kù)勘測(cè)行業(yè)大有裨益，提高了生產(chǎn)效率，然而當(dāng)下我們使用的小型無(wú)人機(jī)仍然存在續(xù)航時(shí)間短、精度低、智能化不足等問題，需要進(jìn)行改善。未來，無(wú)人機(jī)通過與其他行業(yè)的交流，相信無(wú)人機(jī)在水利工程中的應(yīng)用會(huì)更多，也會(huì)產(chǎn)生更多尚未開發(fā)的功能。

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