王全勇

（浙江景文高速公路有限公司，浙江 杭州 310006）

隨著建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，我國公路建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)入工程條件更為復(fù)雜的山區(qū)。山區(qū)公路工程建設(shè)最顯著的特點(diǎn)就是既有道路嚴(yán)重缺乏，無法滿足施工要求，需要大量建設(shè)臨時施工便道。施工便道在選址上經(jīng)常位于懸崖、深谷以及河流之間，容易遭遇山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，而作為公路橋梁工程前期施工準(zhǔn)備階段極其重要的一環(huán)，施工便道關(guān)系到施工各環(huán)節(jié)中的機(jī)械設(shè)備、材料和人員有效、安全的進(jìn)出，決定著整個項(xiàng)目建設(shè)過程中能否順利進(jìn)行。

施工便道的修建線路是否安全、合理、經(jīng)濟(jì)，是以獲取精確的山區(qū)實(shí)地信息為前提的。在無人的山區(qū)環(huán)境，地形圖中數(shù)據(jù)信息精確度只能參考，無法精確的為便道選型設(shè)計所用。通常情況下，施工單位多采用傳統(tǒng)的人工攜帶全站儀結(jié)合實(shí)地步行勘測的方式獲取地形信息，不但工作量巨大，而且常常因山區(qū)惡劣的地形條件導(dǎo)致人員無法到達(dá)進(jìn)行測繪，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度大大受限。

本文以溧陽—寧德高速公路（G4012）浙江景寧—文成段（以下簡稱“景文高速”）為依托，提出基于無人機(jī)的傾斜攝影模式完成三維實(shí)景建模的方法，為施工便道的選型提供精準(zhǔn)的技術(shù)支持[1～2]。

1 工程概況

景文高速中的某大橋主跨位于V形峽谷，橋臺兩頭直接與隧道相接，橋址兩側(cè)地形陡峭，谷底分布坡洪積碎塊石，夾雜大滾石。橋址建設(shè)區(qū)所處深山老林溝壑發(fā)育，溝壑峽谷深達(dá)20～60 m、寬達(dá)80～200 m，兩側(cè)陡坡一般在30°～70°，為高山溝谷，兩側(cè)岸坡深切，施工位置上下高差巨大，既有道路全無。

在如此復(fù)雜的地形環(huán)境條件下，合理選取橋梁的施工便道對工程進(jìn)度、安全和經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。

2 影像采集方案的確定

2.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理及特點(diǎn)

2.1.1 原理

近年來，無人機(jī)航拍技術(shù)不斷創(chuàng)新和更迭，傾斜攝影測量相關(guān)新技術(shù)也得到了較快發(fā)展[3]。該技術(shù)顛覆了以往常規(guī)航拍攝影使用正字法采集角度進(jìn)行影像拍攝的方式；利用多角度相機(jī)，以大范圍視角、高分辨率、高清晰的模式，多角度感知鏡頭下方地貌物體，同時獲取多角度鏡頭。通過設(shè)計采集區(qū)的飛行航線并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主航拍數(shù)據(jù)采集，在飛行航線區(qū)設(shè)置像控點(diǎn)，最終通過像控點(diǎn)的RTK坐標(biāo)信息、無人機(jī)采集的影像信息和POS信息等進(jìn)行后期的圖形計算及空中三角測量、密集匹配、自動紋理映射一系列處理形成三維模型，真實(shí)反映并符合人們生活中真實(shí)的視覺場景，場景中附有地理信息框架，可全面的展示豐富的坐標(biāo)、高程、距離等地理信息[4～5]，大大提高用戶的真實(shí)體驗(yàn)，同時經(jīng)濟(jì)性極高。

2.1.2 特點(diǎn)

1）所采集到的影像能讓用戶全方位多視角的觀測地物，更加真實(shí)的瀏覽地物實(shí)際情況，大大彌補(bǔ)了以往無人機(jī)航拍照片中單一角度影像所提供信息的不足。

2）通過使用功能豐富的配套軟件，可在航拍采集過程中收集地物的坐標(biāo)、高度、長度、面積、角度、坡度等數(shù)據(jù)，在后期的成果模型中直接獲得。

3）具有可批量化圖像數(shù)據(jù)處理及貼紋理的特點(diǎn)，能快速標(biāo)準(zhǔn)化的完成三維實(shí)景建模工作，大大降低建模成本。

2.2 影像采集

2.2.1 設(shè)備選型

可選用市場上技術(shù)較為穩(wěn)定的主流品牌。本項(xiàng)目選擇的是大疆單鏡頭多旋翼無人機(jī)，加裝了GPS接收機(jī)、高精度IMU進(jìn)行高度集成，外形尺寸中等，是目前市場上最智能的民用無人機(jī)之一，可根據(jù)機(jī)型選擇大疆配套的飛行控制軟件。使用前，對飛機(jī)進(jìn)行飛行前校核與設(shè)定，飛行控制軟件在航拍時可選取的模式有二維地圖合成、虛擬護(hù)欄、測繪航拍區(qū)域模式、測繪航拍環(huán)繞模式、航點(diǎn)飛行指定航線；后期三維處理軟件選用的是Pix4D mapper、contextcapture（smart3d）。

2.2.2 航行方案

在飛行控制軟件界面里選擇測繪航拍區(qū)域模式，進(jìn)入界面后首先進(jìn)行航行區(qū)域范圍的選擇確定。本工程飛行總長度為2 137.6 m，其對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定如下：飛行高度120 m，飛行相機(jī)傾斜角度45°，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，飛行速度5 m/s。

2.2.3 實(shí)地飛行影像采集

實(shí)地飛行應(yīng)選擇能見度良好并且五級以下風(fēng)的常溫天氣，在橋址附近選取一塊適合起飛的平地，在軟件界面中設(shè)定中心位置，規(guī)劃出630 m×430 m的矩形范圍為飛行區(qū)域。在中心區(qū)域相應(yīng)的位置進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，飛行完畢后所采集到的影像資料和POS信息資料會分別記錄在無人機(jī)上各自內(nèi)置的存儲卡內(nèi)，在后續(xù)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時從存儲卡中提取即可。

3 施工便道選線

3.1 三維實(shí)景模型建立

無人機(jī)傾斜攝影航拍采集到影像數(shù)據(jù)和POS等數(shù)據(jù)信息后，使用Pix4D mapper、contextcapture（smart3d）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將這些照片和數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件中，通過計算機(jī)圖形計算，結(jié)合POS信息的空三處理，生成點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有真實(shí)紋理的三維實(shí)景模型。見圖1。

圖1 三維模型軟件構(gòu)建流程

3.2 選線應(yīng)用

基于三維實(shí)景模型不僅可直觀瀏覽各角度地形地貌情況，還可從中提取各點(diǎn)位之間的坐標(biāo)、高差、距離以及高程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在獲取關(guān)鍵地形地貌數(shù)據(jù)后，使用3Dmax、BIM或CAD等軟件在確定的施工圖中進(jìn)行便道規(guī)劃設(shè)計。

3.2.1 布置原則

1）滿足功能需求：便道須承擔(dān)施工所用的鋼材、水泥、砂石、汽柴油、土方等材料的進(jìn)出運(yùn)輸功能；同時還需擔(dān)負(fù)施工所用的大型機(jī)械如塔吊、吊車、鉆機(jī)等機(jī)械和作業(yè)人員生產(chǎn)、生活的進(jìn)出運(yùn)輸功能。

2）因地制宜：應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場自然地貌條件進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合地勢展開，便道線形盡量選取平而順和短而直的，在保證有充足視距的條件下便道不宜過長，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境盡量就地取材完成路基結(jié)構(gòu)并對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度抗滑處理，提高便道通行過程中的安全性。

3）安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、便捷：盡量利用既有道路，避免額外增加土地征用并且充分考慮就地取材應(yīng)用于路基的鋪設(shè)，節(jié)約材料成本，減少對周邊生態(tài)環(huán)境的破壞；如果既有路全無，則需在滿足施工要求的前提下盡量做到因地制宜，以達(dá)到安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和便捷的要求。

3.2.2 選線布置

山區(qū)公路橋梁工程中施工便道選線設(shè)計重點(diǎn)工作有兩點(diǎn)：一個是平縱線形的選取，另一個是橫斷面的精細(xì)化設(shè)計。精細(xì)化設(shè)計提出所需要的關(guān)鍵參數(shù)后，采用CNCCBIM Open R oads軟件對無人機(jī)傾斜攝影的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取轉(zhuǎn)化，基于三角網(wǎng)構(gòu)建原理，使用Delaunay軟件對區(qū)域地形的模型進(jìn)行編輯，將模型中的各種點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)的文件進(jìn)行讀取收集，提取所需的高程、高差、距離以及坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，便道坡度一般情況下≯8%～10%，特殊地段的縱坡≯15%。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，便道縱坡＞15%時，不利于材料、機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)輸，同時還會增加機(jī)械設(shè)備的損耗成本；因此在設(shè)計過程中將縱坡控制在15%以內(nèi)，保證材料、機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸?shù)陌踩晚槙?，同時還要結(jié)合車輛轉(zhuǎn)彎半徑的需求進(jìn)行設(shè)計。見圖2。

圖2 施工便道選線設(shè)計文件

基于上述方式進(jìn)行的便道選線布置設(shè)計，所得出的實(shí)景模型便道線路設(shè)計誤差可控制在5 cm以內(nèi)，不僅為便道施工線路提供了精準(zhǔn)的設(shè)計，同時也為便道施工的土方工程量提供精確計算的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合現(xiàn)有常用的制圖軟件進(jìn)行山區(qū)公路橋梁工程中的臨時施工便道選線設(shè)計更加快速準(zhǔn)確，建立的三維實(shí)景模型更加直觀便捷。該技術(shù)還可以應(yīng)用于隧道洞門場地的布置以及橋梁高墩施工安全管理等。

隨著無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，與相關(guān)行業(yè)內(nèi)軟件技術(shù)的匹配會越來越便捷，在推動山區(qū)公路橋梁工程施工新技術(shù)應(yīng)用方面會有更大發(fā)展，為工程建設(shè)帶來更高效、安全、經(jīng)濟(jì)的效益?！酢?/p>