楊玉川,周順文,辛立光,楊興國(guó),周家文
(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610072;2.四川蜀禹水利水電工程設(shè)計(jì)有限公司,成都 610072;3. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都 610065)
無(wú)人機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,其性能不斷完善,可操控性越來(lái)越好,尤其是隨著計(jì)算機(jī)、通訊、導(dǎo)航等技術(shù)的快速發(fā)展,使無(wú)人機(jī)技術(shù)開(kāi)始從研究階段向?qū)嵱秒A段高速發(fā)展。目前無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),尤其在遙感測(cè)繪領(lǐng)域[1,2],如2003年國(guó)內(nèi)第一次大面積使用無(wú)人機(jī)技術(shù),獲取了威海市六十多萬(wàn)平方公里的遙感數(shù)據(jù)。另外,在2008年汶川地震、2013年蘆山地震、還是今年的九寨溝地震,無(wú)人機(jī)在地震災(zāi)區(qū)均扮演重要角色,獲取人員不可到達(dá)區(qū)域的寶貴救援資料,為救援、災(zāi)情評(píng)估提供有利依據(jù),極大幫助抗震救災(zāi)工作。
目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)各方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究,如西南交通大學(xué)的李永樹(shù)[3]系統(tǒng)分析了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要功能,探討無(wú)人機(jī)影像制作大比例尺地形圖的主要流程,以及如何利用無(wú)人機(jī)影像試驗(yàn)制作數(shù)字產(chǎn)品等;程崇木等對(duì)影響固定翼無(wú)人機(jī)航空攝影系統(tǒng)最終產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素進(jìn)行分析, 并提出提高無(wú)人機(jī)測(cè)量精度的解決方法[4];Turner等[5]基于無(wú)人機(jī)高分辨率圖像分析了在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的滑坡變化動(dòng)態(tài),并且分析了測(cè)量過(guò)程中的誤差范圍;李玉成與鄒曉列[6]通過(guò)對(duì)實(shí)際無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的精度對(duì)比分析,證實(shí)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量能夠滿足繪制1∶1 000地形圖的精度要求;周磊等[7]通過(guò)研究GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)和數(shù)據(jù)后處理等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了固定翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在山區(qū)丘陵和城區(qū)居民地兩種復(fù)雜地形的1∶500大比例尺DOM和DEM的繪制,等等。
但目前在應(yīng)用無(wú)人機(jī)方面很多僅局限于拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像或獲取視頻資料,缺乏對(duì)無(wú)人機(jī)采集圖像的深度加工應(yīng)用,本文結(jié)合使用小型無(wú)人機(jī)的經(jīng)驗(yàn),探討無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)在工程全生命周期中的應(yīng)用。
本文以無(wú)人機(jī)航測(cè)、Pix 4 Dmapper軟件和谷歌地球軟件為主要技術(shù)手段,選取常見(jiàn)的幾個(gè)工程領(lǐng)域進(jìn)行研究探討,分析利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)各方面優(yōu)勢(shì)可開(kāi)展的相關(guān)工作。
在實(shí)際應(yīng)用中,獲取特定區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)的地形因子和地形特征線非常重要,而常用的獲取方法主要包括人工實(shí)測(cè)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與遙感結(jié)合法,以及把已有的地形圖數(shù)字化利用等高線和離散點(diǎn)內(nèi)插生成DEM法等[8]。往往巖土工程具有地形復(fù)雜、面積大等特點(diǎn),有時(shí)基本沒(méi)有相關(guān)地形資料,傳統(tǒng)方法很難快速獲得地形信息。因此,想要獲得一種既高效又低成本快速構(gòu)建目標(biāo)地形的三維場(chǎng)景,小型無(wú)人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[9]。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是一種航空遙感手段,具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、高危地區(qū)探測(cè)、不僅可以利用高分辨率相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像,而且利用空中和地面控制設(shè)備可實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)拍攝和獲取。本文使用的是大疆公司生產(chǎn)的精靈系列無(wú)人機(jī),續(xù)航時(shí)間在20 min左右,使用易操作的飛控軟件即可對(duì)目標(biāo)區(qū)域地形進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。
航拍圖像數(shù)據(jù)采集后,需要構(gòu)建目標(biāo)地形的三維場(chǎng)景,此時(shí)需要通過(guò)其他技術(shù)處理轉(zhuǎn)換成地形信息,目前有很多方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程,本文選擇Pix4D mapper軟件處理無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)。該軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理數(shù)據(jù),而且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算三維空間基本圖像的外部方位元素,并進(jìn)行圖像校準(zhǔn),區(qū)域網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。另外,添加地面控制點(diǎn)后三維地形圖精度會(huì)更高。主要方法是:首先選擇無(wú)人機(jī)獲取地物、地表影像,之后采用Pix4D軟件來(lái)迅速構(gòu)建地形三維模型。該方法雖然采用了傳統(tǒng)的以攝影來(lái)獲取地形數(shù)據(jù)的方式,但手段方便簡(jiǎn)潔,數(shù)據(jù)收集工作效率高,影像數(shù)據(jù)處理使用Pix4D軟件基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)三維建模,具有高效快速、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。該軟件的操作流程如圖1所示。
圖1 Pix4D mapper軟件操作流程圖Fig.1 The operation process of Pix4Dmapper
由于Google earth軟件自身提供的地形照片數(shù)據(jù)為衛(wèi)星照片,在精確度上往往很差,且不具備時(shí)效性??紤]到設(shè)計(jì)工作有時(shí)需要最新且精確的地形數(shù)據(jù),可采用近年來(lái)較為常用的無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)對(duì)特定區(qū)域地形進(jìn)行航拍攝影。經(jīng)實(shí)踐證明航拍攝影所建立的三維地形數(shù)據(jù)誤差在10 cm級(jí)左右[9,10],基于許多工程前期設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求,航拍建立的小區(qū)域大比例尺(1∶2 000)地形圖完全可以滿足很多設(shè)計(jì)工作。
無(wú)人機(jī)飛行獲取的遙感數(shù)據(jù),替代過(guò)時(shí)而又模糊的谷歌地球自身衛(wèi)星圖像,實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性與高精度,實(shí)現(xiàn)地形地貌、滑坡災(zāi)害和基礎(chǔ)地質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。具體方法是:利用谷歌地球軟件的測(cè)量功能,結(jié)合Pix 4 Dmapper軟件生成特定區(qū)域的KML文件,可分析目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度、面積及巖土方量等定量信息。
目前許多水電公司的業(yè)務(wù)開(kāi)始從傳統(tǒng)的水利水電工程向多維度進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí), 而無(wú)人機(jī)技術(shù)正好可以滿足水利水電工程及其他領(lǐng)域的應(yīng)用要求。
無(wú)人機(jī)航測(cè)具有方便靈活、高效便捷、成本低、適應(yīng)范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn),而采用無(wú)人機(jī)技術(shù)航測(cè)的精度最多在厘米級(jí)[11, 12],針對(duì)工程建設(shè)全生命周期中的眾多內(nèi)容均可進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)合筆者航測(cè)經(jīng)歷,無(wú)人機(jī)可用在工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害勘察、市政工程、新能源、效果展示等方面。接下來(lái),主要從三個(gè)階段探討無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)在工程全生命周期的應(yīng)用。
市政工程是城市建設(shè)的基礎(chǔ)工程,往往具有施工工期緊,任務(wù)緊迫的特點(diǎn),這里主要講無(wú)人機(jī)技術(shù)在城市河道治理方面,如何有效地加快工程進(jìn)度。筆者有幸參與了成都市某河流的清淤工作,主要負(fù)責(zé)的是對(duì)清淤區(qū)間內(nèi)淤積點(diǎn)的調(diào)查,包括淤積位置、高度以及方量等信息。接觸工作的前期僅采用現(xiàn)場(chǎng)尺子測(cè)量,工作速度極其緩慢,而且很難測(cè)準(zhǔn)。之后想到要請(qǐng)專門的測(cè)量公司,發(fā)現(xiàn)其要價(jià)昂貴而且采用RTK打點(diǎn)速度仍較慢。最后,想到使用無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)解決該問(wèn)題,采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)研究區(qū)間進(jìn)行航拍攝影,最終將處理的三維地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入谷歌地圖,如圖2所示,借助其方便快捷的測(cè)量功能,可以快速地獲得各淤積點(diǎn)的長(zhǎng)度、寬度、面積等基本信息。
圖2 某淤積河段的三維地形地圖數(shù)據(jù) Fig.2 The three dimensional terrain of some deposition reach
由圖2可知,借助Google earth的測(cè)量功能,可方便獲得1~3號(hào)點(diǎn)的淤積面積,這是估算淤積方量非常重要的計(jì)算指標(biāo),之后利用每一個(gè)淤積點(diǎn)的數(shù)字高程模型DEM,可以估算出淤積點(diǎn)在水面上的平均淤積高度。最后,結(jié)合水下淤積深度即可比較準(zhǔn)確估算出淤積點(diǎn)的清淤方量,對(duì)比前面的兩種方法,采用航拍技術(shù)成本低廉、速度較快,而且10 cm級(jí)的誤差可以保證其估算清淤方量的準(zhǔn)確性。當(dāng)然,無(wú)人機(jī)技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用絕不僅限于河道治理,合理利用無(wú)人機(jī)不僅可以快速獲取工程區(qū)的地貌,從而更精確并有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì),加快進(jìn)度。
以某水庫(kù)擴(kuò)建工程為研究對(duì)象,在工程現(xiàn)場(chǎng)使用小型無(wú)人機(jī),不僅獲得了工程現(xiàn)場(chǎng)的宣傳資料,而且基于傾斜攝影技術(shù)獲取了壩址區(qū)的地形數(shù)據(jù),包括三維地形圖:數(shù)字正射影像圖DOM[圖3(a)]和數(shù)字高程模型DEM[圖3(b)],而且按照要求生成等高距為2 m的等高線,如圖3(c)所示,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩填筑高度。
圖3 方田壩水庫(kù)的三維地形數(shù)據(jù)Fig.3 The three dimensional terrain of Fangtian dam reservoir
根據(jù)其數(shù)字正射影像圖DOM可知,業(yè)主及施工單位營(yíng)地的位置,上壩公路及下游料場(chǎng)的位置。由其數(shù)字高程模型和等高線可分析目標(biāo)區(qū)域各部位的高程范圍,以及大壩填筑高度,非常直觀形象。結(jié)合水利水電工程施工程序,可知采用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以完成許多工作,在前期可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字正射影像圖DOM,初步分析設(shè)計(jì)工程的施工條件、交通規(guī)劃以及主要料場(chǎng)渣場(chǎng)等,從而輔助設(shè)計(jì)方案比選與優(yōu)化。之后,根據(jù)其三維地形數(shù)據(jù)可以對(duì)選定料場(chǎng)區(qū)域分析各種料源的分布、儲(chǔ)量及開(kāi)采運(yùn)輸條件等。另外,結(jié)合數(shù)字高程模型及地形圖可以對(duì)一些高邊坡進(jìn)行初步設(shè)計(jì),得到一些設(shè)計(jì)成果。
我國(guó)西南地區(qū)由于地處青藏高原與次一級(jí)的高原與盆地之間的接觸帶上,山高谷深,在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化歷史作用下,淺表層巖體較為破碎且風(fēng)化卸荷嚴(yán)重,許多山體往往存在許多堆積層坡體。在降雨、地下水位變化及地震等外部因素的作用下,往往容易觸發(fā)較大的地質(zhì)災(zāi)害,輕則發(fā)生滑坡、泥石流,重則堵塞河道形成堰塞湖,乃至發(fā)生災(zāi)難性事故,造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本章結(jié)合在西南地區(qū)航拍的一些地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng),具體分析無(wú)人機(jī)技術(shù)在災(zāi)害治理方面的作用。
2.3.1 泥石流
在西南地區(qū),山高坡陡,經(jīng)常發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害,常常沖毀公路鐵路等交通設(shè)施甚至村鎮(zhèn)等,是山區(qū)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。在2015年8月16日至17日,由于長(zhǎng)時(shí)間的暴雨導(dǎo)致瀘州市白臘苗族鄉(xiāng)高峰村一帶遭遇泥石流侵襲,導(dǎo)致當(dāng)時(shí)沿高山峽谷地帶修建的房屋被沖毀,道路、通訊、電力等基礎(chǔ)設(shè)施全部中斷,共造成20多人傷亡。在2017年5月份對(duì)高峰村多條泥石流溝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,這里僅選其中一條泡桐溝泥石流,進(jìn)行航拍影像分析,如圖4所示。
圖4 泡桐溝航拍三維地形數(shù)據(jù)Fig.4 The three dimensional terrain of Paotonggou debris flow
由圖4可知,泡桐溝比較順直,采取了攔擋壩的治理方式。采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù),不僅在前期可以實(shí)時(shí)獲取泥石流災(zāi)害信息及初始的地形數(shù)據(jù),包括泥石流發(fā)生的位置,距離、路徑、高差等具體信息,為泥石流溝道的縮尺試驗(yàn)提供寶貴的原型尺寸。而且在溝道治理上還可在攔擋壩壩址選擇,及溝道寬度設(shè)計(jì)等方面提供基礎(chǔ)的地形及料源信息,從而輔助設(shè)計(jì)人員更準(zhǔn)確地制定泥石流治理方案。
2.3.2 堰塞湖
堰塞湖往往是由火山熔巖流或地震活動(dòng)等原因引起山崩滑坡體堵截河谷或河床后貯水而形成的,2008年5月12日汶川特大地震共造成34處堰塞湖危險(xiǎn)地帶,而唐家山堰塞湖是其中最大的堰塞湖,距北川縣城約6公里,危害巨大。當(dāng)時(shí)該堰塞體平均壩高105 m,最大庫(kù)容3.2 億m3,上下游水位差高達(dá)60 多m。其壩體由石頭和山坡風(fēng)化土組成,通過(guò)開(kāi)挖深13 m、寬8 m的明渠,最終解決了隱患。在2017年5月份到該壩址處,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的航拍測(cè)量,獲得當(dāng)前比較新的地形數(shù)據(jù),如圖5所示。
圖5 唐家山堰塞湖航拍三維地形地圖數(shù)據(jù) Fig.5 The three dimensional terrain of Tangjiashan barrier lake
由圖5知,經(jīng)過(guò)9年左右的河流沖刷,堰塞壩體順河槽段基本與原始河床高程一致,壩前庫(kù)區(qū)水位大幅降低,而且壩體由于多年的沉積也趨于穩(wěn)定。目前在壩體上建了多處房屋,道路四通發(fā)達(dá),不再是當(dāng)?shù)氐囊淮笪:Α=柚跓o(wú)人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害治理后的后評(píng)價(jià)事宜,方便易得最新的地形數(shù)據(jù),完全可以滿足地質(zhì)災(zāi)害治理后評(píng)價(jià)的要求。
另外,當(dāng)時(shí)一同觸發(fā)的徐家壩堰塞湖,位于綿竹縣境內(nèi)的燕子堰河上,一旦潰決將危及漢旺鎮(zhèn)和綿竹縣城的安全。經(jīng)過(guò)9年之后,再次到現(xiàn)場(chǎng)勘察,獲得其無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù),可以清晰地看到庫(kù)區(qū)水體的流動(dòng)路徑,為研究其滲漏情況提供第一手的資料,如圖6所示。
圖6 徐家壩堰塞湖航拍三維地形數(shù)據(jù)Fig.6 The three dimensional terrain of Xujiaba barrier lake
由圖6可知,徐家壩經(jīng)過(guò)多年的滲流,庫(kù)區(qū)水位基本保持不變,其庫(kù)區(qū)水體流動(dòng)的路徑僅通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的踏勘很難確定,而基于無(wú)人機(jī)攝取的三維地形,可以幫助確定庫(kù)內(nèi)水體從明流到暗流的滲漏通道,為研究徐家壩庫(kù)區(qū)多年的水體平衡提供技術(shù)支撐。
本文結(jié)合在實(shí)際工作中對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用,探討了無(wú)人機(jī)技術(shù)在工程全生命周期中多維度的應(yīng)用,重點(diǎn)從市政工程、水利水電工程、地質(zhì)災(zāi)害治理及評(píng)價(jià)三個(gè)方面,系統(tǒng)探討了無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用思路。具體研究結(jié)論如下:
(1)對(duì)于市政工程,結(jié)合其點(diǎn)多面廣,且工期要求極其嚴(yán)格的特點(diǎn),合理利用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以快速獲取工程區(qū)地形地貌,從而有針對(duì)性地進(jìn)行工程設(shè)計(jì),有效加快工程進(jìn)度。尤其是在河道清淤、閘壩設(shè)計(jì)、堤岸防護(hù)等工程方面,均能起到積極作用;
(2)在水利水電工程方面,無(wú)人機(jī)技術(shù)可以解決三維地形的獲取問(wèn)題。另外,在工程前期,輔助設(shè)計(jì)確定施工條件、交通規(guī)劃以及主要料場(chǎng)渣場(chǎng)等問(wèn)題;而且,在工程建設(shè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩施工現(xiàn)場(chǎng)及三維效果展示,對(duì)于一些人員不易達(dá)到區(qū)域也可方便地進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析;施工完成后,也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩水庫(kù)運(yùn)行情況,避免發(fā)生因現(xiàn)場(chǎng)工作人員看不到而觸發(fā)的災(zāi)害事故。相信未來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)將以更加便利快捷的方式獲取野外影像數(shù)據(jù)、服務(wù)于水庫(kù)庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)、河流及大型水利樞紐等工程;
(3)在地質(zhì)災(zāi)害治理及評(píng)價(jià)方面,對(duì)于泥石流,無(wú)人機(jī)技術(shù)可以獲取準(zhǔn)確的溝道數(shù)據(jù),有助于泥石流科學(xué)研究(縮尺試驗(yàn))及治理方案設(shè)計(jì);而在堰塞湖治理方面,結(jié)合無(wú)人機(jī)獲得的三維地形數(shù)據(jù),不僅可以在災(zāi)害發(fā)生前進(jìn)行監(jiān)測(cè),而且可以在災(zāi)害發(fā)生后,人員無(wú)法到達(dá)的第一時(shí)間獲得寶貴地質(zhì)資料,為救援及災(zāi)害治理獲得一手資料。另外,對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的后評(píng)價(jià)及科學(xué)研究上,該技術(shù)將會(huì)非常有意義。
無(wú)人機(jī)航測(cè)精度雖然受多種因素控制,但只要運(yùn)用得當(dāng),航測(cè)的平面中誤差和高程中誤差均能滿足1∶500地形圖的精度要求[1,4,6,7,11-13]。因此,在工程建設(shè)過(guò)程中,利用無(wú)人機(jī)技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確進(jìn)行前期勘測(cè)及施工設(shè)計(jì),而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)及進(jìn)行三維效果展示。另外,對(duì)于一些人員不易達(dá)到區(qū)域也可方便地進(jìn)行工程完建后的監(jiān)測(cè)分析, 從而實(shí)現(xiàn)為土木工程全生命周期內(nèi)的服務(wù)。
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