溫博， 王偉任， 謝瀚瑩， 甄鍵

（1. 廣西南天高速公路有限公司；2. 萬(wàn)航星空科技集團(tuán)有限公司；3. 上海鐵妤工程科技有限公司）

1 簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，簡(jiǎn)稱UAV）是一種由無(wú)線電設(shè)備或由程序控制的無(wú)人駕駛飛行器。具體而言，它是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，能夠通過(guò)無(wú)線電地面遙控飛行和自主飛行。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（MDS數(shù)傳電臺(tái)是國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)用得最多的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備）、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。飛控系統(tǒng)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，相當(dāng)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的“心臟”部分，對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實(shí)時(shí)性等都有重要影響，對(duì)其飛行性能起決定性的作用；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對(duì)遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，以及無(wú)人機(jī)接收、發(fā)送信息的實(shí)時(shí)性和可靠性，以保證信息反饋的及時(shí)有效性和順利、準(zhǔn)確完成任務(wù)。發(fā)射回收系統(tǒng)保證無(wú)人機(jī)順利升空以達(dá)到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后從天空安全回落到地面。

2 基于無(wú)人機(jī)全息三維實(shí)景物聯(lián)大數(shù)據(jù)的施工安全管理新技術(shù)的應(yīng)用

本文以S308 桂平石龍至樟木公路項(xiàng)目為例，S308桂平石龍至樟木公路位于廣西壯族自治區(qū)貴港市境內(nèi)，是《廣西普通公路省道網(wǎng)規(guī)劃》中“S308”的一段，起點(diǎn)位于桂平市石龍鎮(zhèn)石山村附近，與國(guó)道G358相接。路線向西布線，途經(jīng)石龍鎮(zhèn)、慶豐鎮(zhèn)、奇石鄉(xiāng)、中里鄉(xiāng)、東龍鎮(zhèn)、山北鄉(xiāng)，終點(diǎn)位于樟木鎮(zhèn)與來(lái)賓交界處。項(xiàng)目測(cè)區(qū)跨度五十多千米，屬于典型的喀斯特地貌，地形復(fù)雜、植被茂密，測(cè)區(qū)為帶狀沿山谷分布，兩側(cè)高山峽谷，垂直落差較大，增加航拍及施工的難度。

2.1 設(shè)備配備

2.1.1 硬件設(shè)備

1）大疆經(jīng)緯M300 RTK+禪思DJI L1 激光雷達(dá)相機(jī)+賽爾PSDK 102S V3五鏡頭傾斜攝影相機(jī)1套大疆經(jīng)緯M300 RTK 具有55 分鐘長(zhǎng)續(xù)航、飛控穩(wěn)定、強(qiáng)大的機(jī)器智能及六向定位避障、RTK定位精確等優(yōu)勢(shì)。禪思L1 集成Livox 激光雷達(dá)模塊、高精度慣導(dǎo)、測(cè)繪相機(jī)、三軸云臺(tái)等模塊，搭配經(jīng)緯M300 RTK 和大疆智圖，形成一體化解決方案，輕松實(shí)現(xiàn)全天候、高效率實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)獲取以及復(fù)雜場(chǎng)景下L1 能夠穿透桉樹(shù)人工林獲取地面數(shù)據(jù)的高精度后處理重建；賽爾PSDK 102S V3五鏡頭傾斜攝影相機(jī)機(jī)身集成五塊2516萬(wàn)像素影像傳感器，最小拍照間隔可達(dá)0.5次/s，照片自帶POS，讓作業(yè)流程更高效；同時(shí)配備了GPS測(cè)量?jī)x器采集像控點(diǎn)，驗(yàn)證成圖的精度。

2）大疆機(jī)場(chǎng)+DJI Mavic 3行業(yè)系列1套

大疆機(jī)場(chǎng)具備強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，無(wú)論嚴(yán)寒酷暑皆可7×24 小時(shí)無(wú)人值守作業(yè)。通過(guò)大疆司空2，在云端可對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和設(shè)備管理，遠(yuǎn)程制定飛行計(jì)劃、自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，將作業(yè)成果自動(dòng)上傳歸檔，高度一體化設(shè)計(jì)，支持快速部署，解放繁復(fù)勞動(dòng)。DJI Mavic 3行業(yè)系列緊湊小巧，可一手掌握，方便攜帶；配備機(jī)械快門廣角相機(jī)、56 倍變焦相機(jī)及RTK模塊，支持高精度高效測(cè)繪及巡檢作業(yè)；機(jī)身耐用，可應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)挑戰(zhàn)。

2.1.2 軟件應(yīng)用

項(xiàng)目所采用的軟件有大疆智圖、航跡大師、大疆司空 2 和安全管理監(jiān)控平臺(tái)軟件。大疆智圖提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應(yīng)用軟件，可一站式幫助用戶全面提升航測(cè)內(nèi)外業(yè)效率，將真實(shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為數(shù)字資產(chǎn)。航跡大師針對(duì)大疆無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的專業(yè)級(jí)航線定制軟件，特有的交叉如環(huán)繞航線、仿地航線、仿面航線、變坡航線、立面航線、Lidar航線、電力航線等可以滿足多種場(chǎng)景需求。LiDAR360 專業(yè)級(jí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)軟件，包含了豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工具，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，有效地編輯、分析以及生成面向不同行業(yè)的地理空間產(chǎn)品[1]。大疆司空2，是由大疆推出的一站式無(wú)人機(jī)任務(wù)管理云平臺(tái)。通過(guò)電腦或移動(dòng)設(shè)備的瀏覽器，既可帶來(lái)全面、實(shí)時(shí)的無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知，也可實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)信息的高效聚合、處理與同步。安全管理監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)高速公路的沿線場(chǎng)景可視化展示，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用和安全監(jiān)控大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)分析，將單一現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控革命性升級(jí)為實(shí)景場(chǎng)景化綜合安全監(jiān)控管理。

2.2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的采集與處理是無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)公路進(jìn)行全息三維實(shí)景物聯(lián)大數(shù)據(jù)的施工安全管理的基礎(chǔ)，具體步驟為：

①根據(jù)甲方勘察技術(shù)資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定無(wú)人機(jī)飛行方案及無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)的選址。

②地面控制點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量，盡量保證地面控制點(diǎn)均勻分布。

③執(zhí)行無(wú)人機(jī)飛行，獲取無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)。

④使用內(nèi)業(yè)軟件處理數(shù)據(jù)，生成三維點(diǎn)云、三維實(shí)景模型等多種數(shù)字化成果。

⑤將相關(guān)的成功數(shù)據(jù)資料融入平臺(tái)系統(tǒng)中進(jìn)行管理應(yīng)用。

2.2.1 航線規(guī)劃

本項(xiàng)目前期采集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用航跡大師軟件進(jìn)行規(guī)劃航線，大疆L1激光支持3次回波、測(cè)量距離450m(反射率80%，0klx)/190m(反射率10%，100klx)、有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)率240,000 點(diǎn)/s；激光點(diǎn)有較大概率能打到地面。根據(jù)項(xiàng)目要求，設(shè)置作業(yè)飛行高度80m，飛行速度8m/s，旁向重疊率50%。在遙控器調(diào)整相機(jī)參數(shù)為快門1/1000，白平衡選擇晴天、ISO設(shè)置為自動(dòng)。

項(xiàng)目施工階段采集三維實(shí)景模型使用經(jīng)緯M300配套的航線規(guī)劃軟件DJI Pilot進(jìn)行航線規(guī)劃，對(duì)于地下復(fù)雜落差大的地區(qū)可以使用航跡大師軟件進(jìn)行仿地飛行規(guī)劃航線，根據(jù)項(xiàng)目要求作業(yè)飛行高度100m，飛行速度10m/s，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，拍照模式采用了等距拍攝。在遙控器調(diào)整相機(jī)參數(shù)為快門1/1000，白平衡選擇晴天、色彩模式選擇生動(dòng)、ISO設(shè)置為50-1000。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目采集的數(shù)據(jù)使用大疆智圖軟件進(jìn)行處理。對(duì)于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括添加數(shù)據(jù)、設(shè)置點(diǎn)云有效距離、打開(kāi)點(diǎn)云精度優(yōu)化、選擇輸出坐標(biāo)、選擇成果格式等操作流程輸出las 格式的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)利用激光雷達(dá)附屬的可見(jiàn)光航片生成正射影像數(shù)據(jù)，為后期施工階段航拍提供參考。生成后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理采用LiDAR360 軟件，進(jìn)行點(diǎn)云去噪、平滑、地面點(diǎn)分類、點(diǎn)云生成等高線、DEM等操作處理。最終成果數(shù)據(jù)制作成1：2000 比例尺DEM、DOM、等高線等基本測(cè)繪數(shù)據(jù)應(yīng)用到施工設(shè)計(jì)應(yīng)用方面。

使用大疆智圖對(duì)于三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)處理包括多視角圖像特征點(diǎn)提取、特征點(diǎn)匹配、光束法平差、稠密重建、構(gòu)三角網(wǎng)、紋理映射、LOD多層次模型、三維實(shí)景模型建立等原理生產(chǎn)成三維實(shí)景模型數(shù)字化成果。

3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用

應(yīng)用于公路勘察設(shè)計(jì)工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和BIM 設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)公路勘察測(cè)量通常采用全站儀、GPS-RTK、水準(zhǔn)儀等測(cè)量技術(shù)，對(duì)于這種地勢(shì)陡峭、地形復(fù)雜的山區(qū)，在測(cè)量時(shí)受地物遮擋嚴(yán)重、多次轉(zhuǎn)站測(cè)量又削弱了測(cè)量精度，測(cè)量效率低、耗時(shí)費(fèi)力。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以通過(guò)激光穿透植被，獲得高精度、高密度的激光點(diǎn)云，生成高精度的數(shù)字高程模型、等高線等前期設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；勘察人員無(wú)須深入場(chǎng)地即可完成作業(yè)，同時(shí)設(shè)計(jì)人員可在室內(nèi)根據(jù)此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成中樁、橫斷面和線化圖數(shù)據(jù)以及BIM軟件利用精準(zhǔn)的數(shù)字高程模型生成三維地形曲面，同時(shí)疊加影像數(shù)據(jù)，可以在三維場(chǎng)景中進(jìn)行直觀的方案設(shè)計(jì)。

3.2 大疆機(jī)場(chǎng)+大疆司空2應(yīng)用

對(duì)于公路建設(shè)施工線路長(zhǎng)、地形復(fù)雜的工程項(xiàng)目，工地距離遠(yuǎn)、便道長(zhǎng)，各項(xiàng)目部到施工點(diǎn)，平均40km，來(lái)回耗時(shí)長(zhǎng)，并且傳統(tǒng)工程進(jìn)度管理辦法采用報(bào)告、報(bào)表形式，簡(jiǎn)明描述工程實(shí)際達(dá)到的形象部位，存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、報(bào)告不真實(shí)的問(wèn)題。通過(guò)大疆司空2 平臺(tái)，在云端可對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和設(shè)備管理，遠(yuǎn)程制定飛行計(jì)劃、無(wú)人機(jī)自動(dòng)執(zhí)行精細(xì)化巡檢任務(wù)，管理人員無(wú)須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)巡查，即可遠(yuǎn)程隨時(shí)查看作業(yè)實(shí)況和實(shí)時(shí)低延時(shí)高清畫面直播，在線監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)有施工問(wèn)題，即可聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行處理；作業(yè)成果自動(dòng)回傳、歸檔，一站式管理數(shù)據(jù)，隨時(shí)分析無(wú)人機(jī)采集、圖傳圖像信息。無(wú)人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后自動(dòng)歸位充電，等待25min 后就能再次執(zhí)行任務(wù)。通過(guò)紅外相機(jī)，晚上也可以執(zhí)行巡檢任務(wù)，及時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

無(wú)論白天還是黑夜，都可高效獲取任務(wù)區(qū)域內(nèi)最新的影像數(shù)據(jù)。通過(guò)可見(jiàn)光云端建圖，單架次即可獲取約1.5km2的清晰地理影像，了解最新地形狀況和施工進(jìn)度，可在三維場(chǎng)景中可測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)、長(zhǎng)度、面積等數(shù)值在模型進(jìn)行標(biāo)注，對(duì)工程建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵進(jìn)度進(jìn)行定性、定量分析，查看施工進(jìn)度，即可有效全面掌握工程進(jìn)度的周期性變化，規(guī)避進(jìn)度預(yù)期及施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 安全管理監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影定時(shí)和不定時(shí)航拍處理后的實(shí)景三維數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)實(shí)景模型中，平臺(tái)采用流式加載技術(shù)使得數(shù)據(jù)在服務(wù)器被存儲(chǔ)和調(diào)用，運(yùn)用普通配置的電腦即可流暢對(duì)整個(gè)三維場(chǎng)景進(jìn)行高效可視化瀏覽和飛行穿梭。在實(shí)景三維場(chǎng)景之上，接入全路段風(fēng)險(xiǎn)管控?cái)?shù)據(jù)，可隨時(shí)查看不同工點(diǎn)的人為不安全因素、物下不安全因素、環(huán)境不安全因素等具體安全相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)可在實(shí)景模型之上顯示所有隱患排查點(diǎn)，點(diǎn)擊相應(yīng)的隱患點(diǎn)可查看具體隱患的等級(jí)、類型和詳細(xì)參數(shù)。平臺(tái)接入整個(gè)工地的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示在三維場(chǎng)景中，點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)可實(shí)時(shí)查看該設(shè)備的監(jiān)控影像[2]。工地上大型機(jī)械設(shè)備也是安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，比如工地塔吊系統(tǒng)接入了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，對(duì)于塔吊相關(guān)的力矩、回轉(zhuǎn)、風(fēng)速、傾角等設(shè)備參數(shù)實(shí)時(shí)獲取，通過(guò)界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有塔吊的工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著公路工程建設(shè)步伐迅速發(fā)展以及無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展在國(guó)內(nèi)越來(lái)越受重視，本文運(yùn)用無(wú)人機(jī)具有巡線機(jī)動(dòng)靈活、巡檢快捷、信息反饋及時(shí)、工作效率高效、經(jīng)濟(jì)便捷的特點(diǎn)，研究基于無(wú)人機(jī)全息三維實(shí)景物聯(lián)大數(shù)據(jù)的施工安全管理新技術(shù)，將公路施工現(xiàn)場(chǎng)搬到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行管理，為未來(lái)公路施工管理的革新提供建議，使其在安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用趨于信息化、智能化管理。