徐 杰，聶洪斌

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

關(guān)鍵字：無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量；防波堤；塊體驗(yàn)收；Drone Deploy航拍軟件；圖像處理；三維建模

0 引言

近年來(lái)，隨著海洋工程建設(shè)的不斷發(fā)展，防波堤建設(shè)里程不斷向海洋延伸，距離陸域越來(lái)越遠(yuǎn)，為了更好發(fā)揮防波堤的防浪、消浪效果，對(duì)防波堤護(hù)面塊體的安裝質(zhì)量要求較高，根據(jù)在設(shè)計(jì)、物模試驗(yàn)、施工中積累的安放經(jīng)驗(yàn)，定點(diǎn)隨機(jī)安裝是最能充分發(fā)揮扭王字塊優(yōu)異水動(dòng)力性能的安放方法［1］。為了保證防波堤施工的質(zhì)量和安全，施工和驗(yàn)收方法也不斷尋求新技術(shù)的突破，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)航拍獲取防波堤護(hù)面塊體安裝后圖像，經(jīng)過(guò)影像處理獲得防波堤整體三維影像圖，在三維圖上實(shí)現(xiàn)扭王字塊定點(diǎn)姿態(tài)、安放密度和塊體間隙的檢查驗(yàn)收，能夠直觀地檢驗(yàn)扭王字塊的安放效果，避免了人員攀爬防波堤扭王字塊驗(yàn)收的安全隱患和局限性，實(shí)現(xiàn)防波堤防護(hù)塊體的快速驗(yàn)收，為類似工程施工驗(yàn)收提供參考。

1 概況

1.1 工程概況

某港口城項(xiàng)目施工分為水工結(jié)構(gòu)和陸域吹填，其中水工結(jié)構(gòu)是吹填造地的保護(hù)結(jié)構(gòu)，包括主防波堤、內(nèi)防波堤、潛堤、攔沙堤、游艇碼頭護(hù)岸、內(nèi)護(hù)岸、外護(hù)岸等。主防波堤總長(zhǎng)3 245 m，扭王塊安裝數(shù)量達(dá)2.5萬(wàn)件，安裝質(zhì)量直接影響防波堤結(jié)構(gòu)的整體安全，防波堤航拍全景如圖1 所示。隨著海外項(xiàng)目的日益增多，海外項(xiàng)目施工大多采用歐美規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，有利于防波堤扭王塊施工的安裝、調(diào)整與驗(yàn)收，滿足整體要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 防波堤航拍全景Fig.1 Aerial Panorama of Breakwater

1.2 施工驗(yàn)收難點(diǎn)分析

防波堤扭王塊施工驗(yàn)收中存在難點(diǎn)，海側(cè)涌浪較大，且會(huì)涌浪過(guò)堤，防波堤堤頂塊石容易被沖刷，人員和儀器設(shè)備攀爬扭王塊存在安全風(fēng)險(xiǎn)；扭王塊隨機(jī)定點(diǎn)安放，從單一方向不易判斷塊體間是否有空隙和塊體間姿態(tài)是否滿足安裝要求；利用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器也不易找到塊體安放中心位置；通過(guò)人員現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收安全隱患大，驗(yàn)收盲區(qū)多，驗(yàn)收效率低等。防波堤扭王塊斷面如圖2所示。

1.3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在施工中的優(yōu)勢(shì)

圖2 防波堤扭王塊斷面Fig.2 Cross Section of Breakwater Chinese-pod

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量是遙感領(lǐng)域用于測(cè)繪生產(chǎn)的高新技術(shù)，在使用過(guò)程中測(cè)量精度高，人力及資金投入少，采集數(shù)據(jù)量大，作業(yè)效率高，適合大區(qū)域作業(yè)，使用操作靈活，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低［2］，針對(duì)在本工程防波堤扭王塊施工的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)還有：設(shè)備體積比較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作業(yè)人員無(wú)需攀爬防波堤，使用遙控器即可進(jìn)行操作控制，設(shè)計(jì)飛行區(qū)域和航線，可以實(shí)現(xiàn)自主飛行拍攝，整體工作流程自動(dòng)化水平高、安全方便，操作人員經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)就能上手［3］；空中遙控拍攝，無(wú)需接觸防波堤扭王塊，避免人員攀爬塊體發(fā)生安全事故。

本工程最初利用RTK-GPS 采集測(cè)量50 m 區(qū)域范圍內(nèi)的扭王塊位置數(shù)據(jù)約需要2～3 d，采集時(shí)間長(zhǎng)，滯后于扭王塊安放施工進(jìn)度，無(wú)法及時(shí)檢查已安裝扭王塊的位置、密度和姿態(tài)信息，從而影響扭王塊施工驗(yàn)收流程。而無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量快速、精準(zhǔn)、高效地采集扭王塊安裝后的數(shù)據(jù)信息，1～2人就能開展工作，降低人力成本，減少驗(yàn)收時(shí)間，提高施工效率。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

2.1 無(wú)人機(jī)介紹

本項(xiàng)目使用以大疆MAVIC PRO 旋翼無(wú)人機(jī)（性能參數(shù)［4］見(jiàn)表1）為載體，結(jié)合Drone Deploy 航拍處理軟件，探討無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在防波堤扭王塊施工中的應(yīng)用。

2.2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)的組成

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的軟件、硬件2 部分組成。硬件系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)、機(jī)載系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。其軟件系統(tǒng)主要包括航線設(shè)計(jì)、飛行控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、航空攝影檢查以及像片拼接合成處理等五部分［5］，本項(xiàng)目主要使用Drone Deploy 航拍處理軟件。

表1 大疆御無(wú)人機(jī)參數(shù)Tab.1 DJI Mavic Drone Parameters

2.2.1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量平臺(tái)

無(wú)人機(jī)攝影平臺(tái)是利用無(wú)人機(jī)裝載攝影相機(jī)，利用GPS（全球定位系統(tǒng)）進(jìn)行導(dǎo)航的航空攝影平臺(tái)，其優(yōu)勢(shì)在于快速、精準(zhǔn)、高效地獲取地理信息數(shù)據(jù)。

2.2.2 飛行控制軟件

無(wú)人機(jī)飛行控制的核心就是飛行控制軟件，通過(guò)信號(hào)傳輸控制無(wú)人機(jī)的飛行路線、高度、姿態(tài)、數(shù)據(jù)采集等工作，實(shí)時(shí)掌握控制飛行平臺(tái)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息采集任務(wù)。

2.2.3 地面遙控系統(tǒng)

全向天線、監(jiān)控軟件、電源系統(tǒng)和便攜式控制器構(gòu)成了地面遙控系統(tǒng)，各組成部分緊密結(jié)合相互關(guān)聯(lián)，作業(yè)人員操作地面遙控軟件，對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，包括導(dǎo)航模式的選擇、相機(jī)曝光、基本飛行參數(shù)的設(shè)置、航線規(guī)劃和航點(diǎn)輸入；還有影像數(shù)據(jù)的輸出和上傳，以及突發(fā)條件下的報(bào)警設(shè)置等。操作中機(jī)載航拍系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈開展鏈接，飛行過(guò)程中實(shí)際信息和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞，操作更加方便。

3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量流程

3.1 現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)像控點(diǎn)

像控點(diǎn)是像片坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系連接的紐帶，是為轉(zhuǎn)換像片點(diǎn)與地面點(diǎn)位置信息而在實(shí)地布設(shè)并測(cè)定三維坐標(biāo)的控制點(diǎn)。在使用無(wú)人機(jī)航拍前，需預(yù)先布設(shè)像片控制點(diǎn)標(biāo)志，控制點(diǎn)標(biāo)志尺寸需達(dá)到地面分辨率的5～10 倍，并均勻分布在測(cè)量區(qū)域，像控點(diǎn)與地面點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和地面模型的重建至少需要3個(gè)像片控制點(diǎn)［6］。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)安裝與驗(yàn)收的范圍，為了保證航片處理要求，沿堤身軸線方向間隔50 m布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)，布設(shè)的標(biāo)志清晰且點(diǎn)位朝上，且沒(méi)有被其他塊體遮擋易于拍攝，像控點(diǎn)布設(shè)位置及標(biāo)志示意如圖3所示。

3.2 無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)采集

航拍前，檢查無(wú)人機(jī)機(jī)身電池和控制器電池電量，開啟Drone Deploy航拍軟件，通過(guò)拉伸收縮多邊形路線飛行邊框規(guī)劃飛行計(jì)劃，調(diào)整航拍范圍覆蓋目標(biāo)防波堤（范圍越大，航拍時(shí)間越長(zhǎng)，須考慮無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力），調(diào)整飛行路線密度、航拍高度、鏡頭角度、像片方向重疊度、飛行航速等設(shè)置［7］，待無(wú)人機(jī)連接完畢后，起飛航拍。圖4 是航拍軟件規(guī)劃飛行路線，以及各參數(shù)設(shè)置示意。

3.3 軟件處理無(wú)人機(jī)航拍像片

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)位置及標(biāo)志Fig.3 Layout Position and Sign of Ground Control Points

圖4 航拍軟件規(guī)劃飛行路線以及參數(shù)設(shè)置Fig.4 Flight Route Planning and Parameter Setting of Photographing Software

圖5 上傳像片F(xiàn)ig.5 Upload Images

航拍完成后，取出無(wú)人機(jī)機(jī)身內(nèi)存卡，導(dǎo)出像片，按圖5 示意上傳本次航拍的像片，因需要生成三維立體模型，所以選擇“Structures”結(jié)構(gòu)物選項(xiàng)，點(diǎn)擊“Upload Imag?es”上傳，上傳速度視照片數(shù)量、大小和網(wǎng)速而定。

經(jīng)過(guò)Drone Deploy云計(jì)算處理獲得出航拍區(qū)域的數(shù)字影像圖、數(shù)字高程圖、正射影像圖等，利用空中三角測(cè)量生成的三維點(diǎn)云構(gòu)建三維模型，并將從多視影像中提取的結(jié)構(gòu)物紋理映射到相應(yīng)的模型［8］（見(jiàn)圖6）。

4 像片成果應(yīng)用與分析

4.1 分析像片坐標(biāo)精度

在軟件合成的三維模型中可找到布設(shè)在扭王字塊上的標(biāo)志點(diǎn)，使用軟件中的“Location”功能，可點(diǎn)出標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)高程信息，如圖7所示。

圖6 處理后的數(shù)字模型Fig.6 Processed Digital Model

圖7 數(shù)字模型中像控點(diǎn)及坐標(biāo)Fig.7 Ground Control Points and Coordinates in Digital Model

根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性，布設(shè)控制點(diǎn)以及檢查點(diǎn)［9］。選擇其中3 個(gè)檢查點(diǎn)A-64、A-65 和A-66 作為對(duì)比，通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換計(jì)算得出項(xiàng)目施工坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)比分析誤差大小，如表2所示。

表2 坐標(biāo)對(duì)比Tab.2 Coordinates Difference

由表2 中可看出2 個(gè)方向的坐標(biāo)差值均不超過(guò)0.25 m，誤差在可控范圍內(nèi)，可用于分析防波堤扭王塊施工驗(yàn)收的各項(xiàng)要求指標(biāo)。

4.2 分析扭王塊驗(yàn)收中無(wú)人機(jī)測(cè)量的成果

適用港口城項(xiàng)目防波堤扭王塊施工的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及驗(yàn)收相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下所示：

⑴扭王塊需咬合良好，保證墊層塊石不從扭王塊縫隙內(nèi)被淘刷出去；

⑵安裝區(qū)域不出現(xiàn)大的孔隙，相鄰扭王塊間安裝后的姿態(tài)應(yīng)不一致；

⑶扭王塊需三點(diǎn)著地，鼻部避免垂直于斜坡面的安裝情況；

⑷斜坡上扭王塊安裝密度為95%～105%之間；頂部水平段扭王塊安裝密度不小于100%；

根據(jù)扭王塊布點(diǎn)規(guī)則，100 m2范圍內(nèi)17 t 規(guī)格扭王塊設(shè)計(jì)安裝數(shù)量為17 塊，從圖8 抽選范圍約106 m2計(jì)數(shù)，實(shí)際共有17塊扭王塊，滿足施工與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 扭王塊密度Fig.8 Installation Density of Chinese-pod

在軟件中可使用量尺工具，檢查量測(cè)數(shù)字模型中塊體間的實(shí)際尺寸與間距，17 t扭王塊高度以及扭王塊間距的驗(yàn)收技術(shù)要求為：同排扭王塊中心間距1.212h（h為扭王塊高度），扭王塊高h(yuǎn)=2.82 m，間距≤3.4 m［10］。

選取范圍內(nèi)其中1 塊扭王塊，量出該塊體尺寸為2.79 m，精度滿足要求，扭王塊尺寸測(cè)量詳見(jiàn)圖9。

圖9 扭王塊尺寸測(cè)量Fig.9 Chinese-pod Dimension Measurement

隨機(jī)抽選范圍內(nèi)的每2個(gè)扭王塊重心點(diǎn)之間的間距均小于3.4 m，可以分析出各扭王塊安裝間距符合驗(yàn)收技術(shù)要求，扭王塊間距測(cè)量詳見(jiàn)圖10。

圖10 扭王塊間距測(cè)量Fig.10 Chinese-pod Spacing Measurement

通過(guò)Drone Deploy 航拍處理軟件點(diǎn)云生成的防波堤扭王塊三維立體模型，可以更加直觀地檢查扭王塊三維姿態(tài)以及塊體表觀的情況。扭王塊塊體與塊體之間的縫隙，也能通過(guò)三維立體模型直觀地檢查出來(lái)。

從所選區(qū)域中可看出，扭王塊表觀咬合良好，安裝區(qū)域并無(wú)出現(xiàn)較大的孔隙，相鄰扭王塊間安裝后的姿態(tài)不一致，扭王塊三點(diǎn)著地，并未出現(xiàn)鼻部垂直于斜坡面的安裝情況，如圖11所示。

圖11 防波堤扭王塊三維立體模型Fig.11 Three Dimensional Model of Breakwater Chinese-pod

5 結(jié)論

防波堤扭王塊外形輪廓清晰，安裝堆放相對(duì)集中利于航拍識(shí)別；圖像經(jīng)過(guò)航拍軟件處理后，在處理后的三維圖像中，檢查標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)均不超過(guò)25 cm，滿足扭王字塊驗(yàn)收誤差要求；在三維圖像中標(biāo)記扭王塊重心點(diǎn)，量測(cè)間距可檢查是否超過(guò)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求；通過(guò)計(jì)數(shù)可計(jì)算驗(yàn)收區(qū)域的安裝密度；利用三維圖像不僅能檢查塊體安裝的整體效果，而且能夠量化檢驗(yàn)塊體安裝質(zhì)量，并提高了塊體的施工驗(yàn)收效率；能夠滿足一定的測(cè)量精度，特別適合離岸式水工結(jié)構(gòu)日常施工監(jiān)控和無(wú)接觸驗(yàn)收檢測(cè)。