林迪

作者簡介：

林 迪（1984—），工程師，主要從事航道管理、無人機航測方面工作。

文章通過實踐分析，研究了消費級無人機在航道管理中的快速判定應(yīng)用，總結(jié)出直線法和三角法兩種可應(yīng)對多種情形的測算方法，可用于違建碼頭規(guī)模預(yù)估、界定采砂船舶是否違法進入航道施工，以及測算施工船舶的作業(yè)位置、水上助航標(biāo)志配布位置間隔距離等方面工作。

航道管理;消費級無人機;直線法;三角法;快速判定

U612A572054

0 引言

無人機的應(yīng)用日益廣泛，工業(yè)級無人機在行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域中朝著專業(yè)化應(yīng)用、定制級解決方案的方向發(fā)展，但受價格成本制約，在預(yù)算不足的單位難以推廣使用。普通的消費級無人機因性價比高和便攜性等優(yōu)點，目前在航道管理中基本已普及使用，不過其作用僅限于航拍取證方面[1-2]。經(jīng)過實踐測算分析，在使用無人機完成航拍取證之后，可進一步利用操作系統(tǒng)中的“無人機與返航點距離”功能，對違法行為進行快速判定，測算違建碼頭占用岸線長度等相關(guān)數(shù)據(jù)、界定采砂船舶是否進入航道范圍內(nèi)，作為對違法行為后續(xù)處理的依據(jù);也可以用于測算施工船舶的作業(yè)位置，判斷其是否在規(guī)定的施工區(qū)域內(nèi);以及測算水上助航標(biāo)志配布位置間隔距離，判斷是否符合助航標(biāo)志配布方案的要求[3]。

1 無人機簡介

采用大疆御pro鉑金版機型，操控界面如圖1所示。

圖1中，箭頭符號表示無人機;箭尖為機頭航向;為返航點。

2 測量方法

根據(jù)到達現(xiàn)場所使用的交通工具、需測量的對象以及現(xiàn)場周邊環(huán)境情況，可使用直線法和三角法兩種方法。

2.1 直線法

直線法適用于測算使用船舶或車輛可直接抵達的碼頭、橋梁，以及能夠靠泊的采砂船，且測量對象周邊有適于無人機起降的場地。

2.1.1 測算碼頭占用岸線長度

巡航發(fā)現(xiàn)某段岸線上正在進行土地平整和岸坡堆填，疑似在建碼頭，工作船靠泊后使用無人機測算其占用岸線長度，測算方法及步驟如下（圖2）：

（1）從返航點起飛，調(diào)整航向與碼頭岸線平行，飛到碼頭岸線起點A上空附近，通過遙控器云臺俯仰撥輪調(diào)整俯仰角度至-90°，進入俯拍模式，再微調(diào)無人機位置使該點處于相機拍照框的中心，此時無人機即處于碼頭岸線起點A的正上方，記錄下點與該點距離數(shù)據(jù)（444 m）。

（2）調(diào)整航向角，使碼頭起點、終點以及點的航線連線平行于岸線，飛抵碼頭終點C的正上方，記錄下點與該點距離數(shù)據(jù)（67 m）。

（3）因點處于碼頭岸線起點與終點之間，上述兩數(shù)值之和即為碼頭岸線長度（511 m）。

2.1.2 界定采砂船位置

巡航發(fā)現(xiàn)某采砂船在航道附近作業(yè)，該航段河面較寬，周圍沒有可供參考的示位標(biāo)，此時可用直線法掌握該采砂船的準(zhǔn)確位置，見圖2。

（1）無人機在采砂船起飛，返航點在采砂船上，調(diào)整航向角，使點與右側(cè)岸線A點的航線連線垂直于岸線，然后飛抵該點的正上方，記錄下點與A點的距離數(shù)據(jù)（502 m）。

（2）調(diào)整航向角，使無人機飛越采砂船位置點后繼續(xù)前進至左岸線C點正上方，飛行過程中必須保持航向角不變，保證三個點處于同一直線上，記錄下點與C點的距離數(shù)據(jù)（284 m）。

（3）比對航道圖得知，該采砂船所處位置的航道左邊線與洪水期左岸線的距離為300 m，與右岸線的距離為480 m。結(jié)合無人機測量數(shù)據(jù)可知，該采砂船與航道左側(cè)邊線距離過近，對航道保護范圍和通航安全造成了影響，因此對其進行警告并要求撤離。

2.1.3 界定施工船舶位置

某疏浚工程需要在丁壩的壩田內(nèi)進行清淤作業(yè)，要求施工船舶不能超出丁壩區(qū)域施工，但因洪水期水位上漲淹沒丁壩，執(zhí)法人員在進行施工監(jiān)管時難以判定施工船舶的作業(yè)位置是否超出范圍。由于沿線丁壩均有沿江公路連接，丁壩壩頭到公路的直線距離可在衛(wèi)星圖上測量得出，此時可使用直線法來測算確定施工船舶的位置。測算方法及步驟如下：

（1）沿公路找到施工船舶所在點與公路連線的一點，該點與施工船舶的連線與最近的丁壩平行，以此點作為返航點，起飛后飛抵施工船舶的正上方，記錄點與該點的距離數(shù)據(jù)，如圖3所示。

（2）結(jié)合現(xiàn)場航拍照片，比對該施工船舶與所在壩田的最近的一條丁壩壩頭到公路的直線距離，測算施工船舶是否超出范圍作業(yè)。對該疏浚工程某天的施工監(jiān)管情況見圖4。由圖4可知，施工船舶A、C、D在壩田范圍內(nèi)作業(yè)，施工船舶B、E則超出了壩田范圍，因此對其進行警告并要求撤回指定的施工區(qū)域。

2.1.4 水上助航標(biāo)志布設(shè)位置

某橋梁需要拋設(shè)橋區(qū)助航標(biāo)志，在橋址上下游約200 m處各設(shè)置一對發(fā)光水面?zhèn)让娓?biāo)，此時可使用直線法測算助航標(biāo)志拋設(shè)位置是否符合要求。測算方法為沿橋面找到與水面?zhèn)让娓?biāo)所在點的最短距離點，即浮標(biāo)所在點到橋面垂線的交點，以此點作為返航點，起飛后飛抵浮標(biāo)的正上方，記錄點與浮標(biāo)所在點的距離數(shù)據(jù)（170 m）。測量情況見圖5。經(jīng)對比可知該浮標(biāo)布設(shè)位置不符合要求，需進行調(diào)整。

2.2 三角法

若測量對象現(xiàn)場不適合無人機起降，或是不適合用直線法測量的情況，可使用三角法測量。

2.2.1 測算碼頭占用岸線長度

某段岸線上正在進行土地平整和岸坡堆填，疑似在建碼頭，由于交通不便，第一次測算時的無人機返航點選在對岸，測算方法及步驟如下（圖6）：

（1）從返航點點起飛，調(diào)整航向正對碼頭一端點A，飛到該點正上方，記錄下點與該點距離數(shù)據(jù)（397 m）。

（2）調(diào)整航向角指向碼頭另一端點C，因點到碼頭岸線AC垂線的垂足位于AC上，注意保持航線與碼頭岸線AC平行，在飛行過程中找出點與碼頭岸線AC最短距離交點B。為減少誤差，測量時需使用有直角的物品（如A4文件紙），貼近操控屏幕上的航線AC以及連線HB進行校正，保證∠HBA為直角，找到垂足B點后記錄下點與該點的距離數(shù)據(jù)（360 m）。

（3）保持航向角不變，保證A、B、C三個點處于同一直線上，飛抵遠(yuǎn)端岸線C點的正上方，記錄下點與另一端岸線C點的距離數(shù)據(jù)（423 m）。

（4）綜合上述數(shù)據(jù)（如圖6所示），根據(jù)勾股定理可知AB=167 m、BC=222 m，計算得出該碼頭占用岸線長度AC=389 m。

2.2.2 界定采砂船位置

在岸上發(fā)現(xiàn)某采砂船在航道附近停泊，可用三角法測算其到左岸及右岸的距離，掌握該采砂船的準(zhǔn)確位置，測算方法及步驟如下（圖7）：

（1）從返航點點起飛，調(diào)整航向正對采砂船，然后飛到采砂船正上方，記錄下點與采砂船位置A點的距離數(shù)據(jù)（781 m）。

（2）調(diào)整航向角，使采砂船位置A點與遠(yuǎn)端岸線C點的航線連線垂直于岸線，然后飛抵遠(yuǎn)端岸線C點的正上方，記錄下點與遠(yuǎn)端岸線C點的距離數(shù)據(jù)（972 m）。

（3）調(diào)整航向角，使無人機飛越采砂船位置A點后繼續(xù)前進至近端岸線D點正上方，記錄下點與近端岸線D點的距離數(shù)據(jù)（522 m）。

（4）由于點到左右岸兩端連線CD垂線的垂足位于CD延長線上，因此需保持航向角繼續(xù)前進，找出點與CD延長線最短距離交點B。為減少誤差，測量時需使用有直角的物品（如A4文件紙），貼近操控屏幕上的航線CD以及連線HB進行校正，保證∠B為直角，找到垂足B點后記錄下點與岸線AC該點的距離數(shù)據(jù)（422 m）。步驟3和4的飛行過程中必須保持航向角不變，保證四個點處于同一直線上。

（5）綜合上述數(shù)據(jù)（如圖7所示），根據(jù)勾股定理計算出該采砂船到左岸線的距離為AC=216 m，到右岸線距離為AD=351 m。

（6）比對航道圖得知，該采砂船所處位置的航道左邊線與左岸線的距離為340 m，與右岸線的距離為220 m，結(jié)合無人機測量數(shù)據(jù)可知，該采砂船未影響通航。

2.2.3 水上助航標(biāo)志布設(shè)位置

某航道疏浚工程拋卸區(qū)位于某橋梁上游約500 m處，拋卸區(qū)靠航道一側(cè)長度為180 m，需要配布一對發(fā)光水面?zhèn)让娓?biāo)，用于指引拋卸工作船及警示過往船舶，現(xiàn)使用三角法測算該標(biāo)志布設(shè)位置是否符合要求，測算方法及步驟如下：

（1）從點起飛，調(diào)整航向正對浮標(biāo)A后飛到其正上方，記錄下點與該點距離數(shù)據(jù)（313 m）。

（2）調(diào)整航向角，正對浮標(biāo)C后飛到其正上方，記錄下點與該點的距離數(shù)據(jù)（454 m）。

（3）保持航向角不變，飛抵橋梁正上方，記錄下點到浮標(biāo)A、C連線與橋梁交點D的距離數(shù)據(jù)（911 m）。

（4）調(diào)整航向角，按原航線折返，找出點與AC延長線最短距離交點B，用A4文件紙貼近操控屏幕上的航線AC以及連線HB進行校正，保證∠B為直角，找出垂足B后記錄下點與B點的距離數(shù)據(jù)（122 m）。

（5）綜合上述數(shù)據(jù)（如圖8所示），根據(jù)勾股定理計算出浮標(biāo)A、C間距為149 m，浮標(biāo)C與橋梁距離為465 m，經(jīng)對比可知浮標(biāo)布設(shè)位置與要求有一定差距，需進行調(diào)整。

3 無人機在航道管理中的快速判定應(yīng)用使用效果分析

經(jīng)過實踐分析，無人機操作系統(tǒng)中的“與返航點距離”功能在航道管理中一些需要快速判定的情形中，有著極佳的使用效果，其優(yōu)點有便捷、迅速、性價比高等。與全站儀等測量儀器相比，單人即可完成操作，步驟簡單易懂，測算作業(yè)耗時短，使用門檻低，且基本不受地形、交通工具等因素的制約;與帶測量功能的工業(yè)級無人機相比，目前市價千元級別的消費級

無人機均帶有此項功能，可用于快速測算，性價比極高。

但無人機的局限性在于會受到天氣因素制約，雨天和大風(fēng)天氣時無法使用，且受無人機定位系統(tǒng)精度、遙控器與連接手機的網(wǎng)絡(luò)信號以及周圍環(huán)境磁場影響，無人機與返航點距離數(shù)值會有一定誤差。不過誤差值在用于快速判定時是可以接受的，若后續(xù)有需要可使用更精確的儀器作進一步測量。

4 結(jié)語

本文通過對無人機在航道管理中的快速判定應(yīng)用進行探索與實踐分析，總結(jié)出直線法和三角法兩種可應(yīng)對多種情形的測算方法，驗證了無人機操作系統(tǒng)中的“與返航點距離”功能在航道管理中一些需要快速判定情形中的應(yīng)用有效性和可操作性，為航道管理探索出高效和高性價比的應(yīng)用方法。

[1]王飛雄.無人機在航道管理中的應(yīng)用淺析——以蘇州航道為例[J].交通企業(yè)管理，2020，35（2）：42-44.

[2]孫榮發(fā).無人機航測技術(shù)在航道工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2018（10）：273-274.

[3]黃 湘，何 源，薛武申.無人機航測技術(shù)在水運勘察設(shè)計上的應(yīng)用研究[J].西部交通科技，2017（1）：98-101，108.