周 偉 周亞超

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100010

1 項(xiàng)目總體概況

長江大保護(hù)岳陽項(xiàng)目王家河項(xiàng)目總投資7.32億元，建安費(fèi)5.55億元。王家河全長約7 km，平均水深約2 m。項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括新建管網(wǎng)55 km、新建調(diào)蓄池1座（20 000 m3）、生態(tài)濾池1座（10 000 m3/d）、河道清淤及淤泥處理（162 900 m3）、14處排口強(qiáng)化、7套水動(dòng)力提升設(shè)備、管網(wǎng)清淤及修復(fù)（圖1）。

圖1 王家河項(xiàng)目區(qū)域

王家河項(xiàng)目點(diǎn)多面廣、施工區(qū)域分散，施工范圍區(qū)域面積約10 km2。項(xiàng)目通過傾斜攝影技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)的融合建立王家河項(xiàng)目實(shí)景三維空間信息模型，以減少現(xiàn)場踏勘、測量等工作量。其中無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，能提供植被覆蓋區(qū)域地面點(diǎn)的準(zhǔn)確高程。

2 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用簡介

2.1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)通過從不同視角同步采集影像，獲取空間物理信息，通過數(shù)據(jù)處理、融合、建模等技術(shù)生成高分辨率、高精度的三維城市模型[1]。王家河項(xiàng)目傾斜攝影技術(shù)達(dá)到的分辨率為3 cm，模型能夠真實(shí)地反映王家河項(xiàng)目區(qū)域情況，還可以進(jìn)行空間信息數(shù)據(jù)的獲取。

2.2 無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)

無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)是在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)平臺(tái)，通過發(fā)射激光光束實(shí)現(xiàn)空中探測目標(biāo)，以生成精確的三維立體圖像[2]。王家河項(xiàng)目部分區(qū)域地形起伏、植被多，利用激光雷達(dá)可以穿透植被準(zhǔn)確地獲取高精度空間環(huán)境信息的優(yōu)點(diǎn)，將雷達(dá)數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)融合，達(dá)到提高模型精度的目的，完成后可自動(dòng)生成DEM（數(shù)字高程模型）、等高線、DLG（數(shù)字線劃圖）等。

2.3 實(shí)景三維空間信息模型

通過傾斜攝影技術(shù)和無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維空間信息模型，其主要分為2個(gè)步驟：一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。其中內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括多次空三解算、mesh三維模型及初修、雷達(dá)數(shù)據(jù)與三維傾斜模型融合等。通過實(shí)景三模模型可以直接查看每個(gè)區(qū)域的實(shí)際情況，可獲取模型中每個(gè)點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)（坐標(biāo)、高程等）、挖填方量等，同時(shí)為項(xiàng)目后期建立空間地理信息數(shù)據(jù)專題庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提升運(yùn)營管理效率。

3 項(xiàng)目應(yīng)用過程

3.1 飛行平臺(tái)和航攝設(shè)備準(zhǔn)備

1）飛行平臺(tái)：大疆M600型，單架次續(xù)航時(shí)間約25 min，正常續(xù)航速度60 km/h，六旋翼無人機(jī)，采用自主飛行模式，航線自動(dòng)生成，航向分辨率不低于75%，旁向重疊率不低于70%。

2）航攝相機(jī)：五鏡頭相機(jī)（賽爾100S），總像素為1.2億，焦距為35 mm。

3）雷達(dá)設(shè)備：無人機(jī)（大黃蜂）1臺(tái)、機(jī)載雷達(dá)（瑞格）1臺(tái)。單次飛行30 min左右。

3.2 無人機(jī)作業(yè)

無人機(jī)作業(yè)流程如圖2所示，作業(yè)成果如圖3所示。

圖2 航空攝影測量工作流程

圖3 拍攝成果

3.3 雷達(dá)作業(yè)

雷達(dá)作業(yè)流程如圖4所示，作業(yè)成果如圖5所示。

圖4 雷達(dá)作業(yè)流程

圖5 點(diǎn)云解算成果及DEM成果

3.4 操作要點(diǎn)

3.4.1 準(zhǔn)備階段

1）作業(yè)前需確定測區(qū)是否為禁飛區(qū)或限飛區(qū)，并辦理相關(guān)手續(xù)。王家河項(xiàng)目西側(cè)有鐵路線路，作業(yè)前需提前與鐵路公安進(jìn)行對(duì)接。

2）根據(jù)項(xiàng)目原始地貌要求確定建模精度，采取航拍照片3 cm分辨率精度，建立1∶500地形模型。

3）分析現(xiàn)場障礙物，確定航測無人機(jī)飛行高度，如果存在較高建筑物或其他障礙物，采取對(duì)影響飛行的障礙物區(qū)域單獨(dú)航拍的方式解決。

4）現(xiàn)場踏勘確定無人機(jī)起飛、降落地區(qū)，防止無人機(jī)使用時(shí)因環(huán)境因素影響航拍效率。

5）像控點(diǎn)布設(shè)：

① 像控點(diǎn)的數(shù)量及精度會(huì)直接影響航測生成模型的精度，對(duì)像控點(diǎn)的選擇與布設(shè)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格、規(guī)范、精確。

② 項(xiàng)目像控點(diǎn)采取每300 m布設(shè)一個(gè)點(diǎn)，成矩形排布，點(diǎn)位使用紅色油漆噴涂標(biāo)記。

③ 像控點(diǎn)布設(shè)采用GPS測量儀，按布點(diǎn)位置記錄該點(diǎn)位的原始坐標(biāo)信息（經(jīng)緯度及高程）。

3.4.2 外業(yè)采集階段

1）根據(jù)無人機(jī)單次飛行時(shí)間制定測區(qū)布設(shè)，對(duì)單次飛行路線提前制定，并設(shè)定拍攝距離。

2）無人機(jī)航測區(qū)域要求：以項(xiàng)目紅線范圍為界，超過約200 m。其目的是保證紅線區(qū)域模型建立的精確性。

3）無人機(jī)航測過程中的照片POS數(shù)據(jù)采用PPK天線與地面GPS測量儀進(jìn)行確定，保證照片定位數(shù)據(jù)精度滿足建模精度要求。

4）航測過程中必須保證天氣條件為陰天或者晴天，確保整個(gè)過程的安全性。天氣條件對(duì)后期模型的生成效果也有影響，應(yīng)避開霧天、霾較重的天氣。

5）控點(diǎn)布設(shè)時(shí)，必須采取雙人協(xié)作，避免單人作業(yè)不易發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，從而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

6）任何人不得在無人機(jī)起飛、降落時(shí)靠近無人機(jī)。

3.4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段

1）將GPS記錄的點(diǎn)位數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將坐標(biāo)信息與照片重新加載，實(shí)現(xiàn)照片POS數(shù)據(jù)更新。

2）在Smart 3D軟件中導(dǎo)入航測影像及更新后的POS數(shù)據(jù)，在軟件端進(jìn)行第1次空三解算。因?yàn)楹綔y面積大，無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)量極大，所以空三解算消耗資源多、時(shí)間長，通過第1次空三解算測試影像和坐標(biāo)信息的正確性。

3）復(fù)測解算完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。無大的坐標(biāo)偏差問題后，對(duì)圖像進(jìn)行“刺點(diǎn)”操作，即將航測前期確定的像控點(diǎn)坐標(biāo)在圖像中一一對(duì)應(yīng)定位，提高模型生成精度，由真實(shí)點(diǎn)位坐標(biāo)控制模型點(diǎn)位坐標(biāo)，減小累計(jì)誤差。

4）完成第2次空三解算后，對(duì)模型進(jìn)行渲染生成，選擇輸出OSGB格式模型。

5）模型渲染完成后，需要針對(duì)模型明顯缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，主要修補(bǔ)部分為水面、大型玻璃幕墻、路面等。

6）模型點(diǎn)位數(shù)據(jù)導(dǎo)出時(shí)，點(diǎn)位設(shè)置為每0.5 m一個(gè)，地勢變化較大的區(qū)域單獨(dú)增加點(diǎn)位，保證數(shù)據(jù)提取精細(xì)度。

3.5 模型精準(zhǔn)度抽驗(yàn)

隨機(jī)抽取模型數(shù)據(jù)，與GPS RTK數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)對(duì)比數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)區(qū)域的技術(shù)復(fù)核。

4 實(shí)景三維空間信息模型成果應(yīng)用

4.1 高度及距離測量

模型生成后，距離量測、坐標(biāo)獲取、高程獲取、土方量計(jì)算等測量工作可直接在模型中提取數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)完全滿足設(shè)計(jì)、施工需求。

4.2 土方量計(jì)算

采用土方量自動(dòng)計(jì)算功能。通過定義挖填范圍，直接提取相關(guān)土方量，輔助項(xiàng)目開展完成施工前策劃，包括資源配置準(zhǔn)備、土方量調(diào)配部署、進(jìn)度計(jì)劃的編制等，同時(shí)為后期結(jié)算提供參考依據(jù)。

4.3 坐標(biāo)提取

現(xiàn)場施工過程中可直接利用模型進(jìn)行坐標(biāo)和高程提取。因三維模型與現(xiàn)場實(shí)際情況吻合，故展示坐標(biāo)區(qū)域更加直觀，便于具體位置的獲取。

4.4 現(xiàn)場情況展示

由于三維模型精度較高，故現(xiàn)場情況可利用三維模型進(jìn)行直觀展示，減少現(xiàn)場踏勘工作量。

4.5 應(yīng)用效果及效益分析

4.5.1 項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

通過實(shí)景三維空間信息模型，大大減少了現(xiàn)場踏勘調(diào)研工作量，同時(shí)結(jié)合DLG線劃圖，極大地提高了設(shè)計(jì)的工作效率。設(shè)計(jì)院在向建設(shè)單位、政府部門匯報(bào)設(shè)計(jì)方案時(shí)結(jié)合該模型，大大提高了匯報(bào)的效率。

4.5.2 項(xiàng)目施工階段

1）項(xiàng)目原計(jì)劃配置8名測量人員開展項(xiàng)目原始地貌信息采集復(fù)核工作，通過本技術(shù)，只需配置5名測量人員及相應(yīng)設(shè)備，大大優(yōu)化了人員及設(shè)備配置，同時(shí)原計(jì)劃50 d完成的測量工作僅花費(fèi)了15 d時(shí)間。該模型生成的數(shù)據(jù)也得到了監(jiān)理單位的認(rèn)可。

2）項(xiàng)目施工單位在施工部署階段，利用該技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘、協(xié)調(diào)征拆、方案策劃工作，特別是在編制交通導(dǎo)行、土方調(diào)配、材料堆放等方面發(fā)揮了極大的作用，大大減少了現(xiàn)場反復(fù)踏勘工作，提高了工作效率。

3）本項(xiàng)目部分新建管道工程緊鄰小區(qū)房屋、街邊商戶施工，施工前需組織人力對(duì)沿線建筑物進(jìn)行影像拍攝，避免施工過程中與建筑物權(quán)屬人發(fā)生不必要的糾紛。該技術(shù)的現(xiàn)場影像采集工作，提前完成了上述工作，縮短了施工前準(zhǔn)備時(shí)間，提高了施工效率。

4.5.3 初步產(chǎn)生的效益

該技術(shù)需采購專業(yè)的軟硬件設(shè)備，成本較高。經(jīng)測算，單個(gè)項(xiàng)目使用產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益基本與成本持平，因此需由公司統(tǒng)一采購，多個(gè)項(xiàng)目使用后，其軟硬件成本將直線下降。本項(xiàng)目使用效益如下（不計(jì)算采購成本）：

1）減少測量人員及設(shè)備配置方面：約20萬元。

2）實(shí)地踏勘時(shí)間：每平方公里節(jié)約時(shí)間1.5 d左右，共計(jì)節(jié)約時(shí)間15 d。

3）成圖時(shí)間：相較于傳統(tǒng)方法，該技術(shù)可節(jié)約30 d。

4）減少復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行踏勘時(shí)存在的潛在安全隱患。

5）在輔助施工部署策劃方面間接創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

通過項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，該實(shí)景三維空間信息模型具有精度高、可視化強(qiáng)、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)市政水務(wù)項(xiàng)目點(diǎn)多面廣、施工范圍環(huán)境復(fù)雜、踏勘工作量大、踏勘工作難等問題。同時(shí)，該模型為建筑業(yè)信息化技術(shù)應(yīng)用提供了支撐，在類似工程施工時(shí)具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 吳國梅.基于傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的方法[J].世界 有色金屬,2017(9):296.

[2] 李清泉,李必軍.激光雷達(dá)測量技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].武漢測繪科技 大學(xué)學(xué)報(bào),2000(5):387-392.