◎ 林迪 廣西壯族自治區(qū)梧州航道養(yǎng)護中心

1.引言

無人機在航道管理中的應用日趨成熟，工業(yè)級無人機可提供定制級的解決方案，搭載不同的任務平臺進行航道巡查、航空測繪[1]等工作，但受價格成本制約難以推廣使用。普通的消費級無人機因便攜性佳和性價比高等優(yōu)點，如今在航道管理工作中應用更為普遍，但其用途一般只限于短距離巡航、航拍取證等方面。在航道工程施工監(jiān)管中，經(jīng)過實踐應用分析，利用無人機操作系統(tǒng)中的“與返航點距離”功能，通過使用三角法[2]設定參考點，設計飛行路線，可實現(xiàn)施工船舶作業(yè)位置與作業(yè)區(qū)邊界的距離測算，快速判定其是否在規(guī)定的施工區(qū)域內(nèi)作業(yè)，高效地進行施工監(jiān)管。

2.無人機三角法測量技術簡介

三角法測量技術是利用無人機系統(tǒng)中的“與返航點距離”功能和地圖模式界面的飛行軌跡線，飛抵測量目標點位，使用相機俯拍模式輔助定點懸停，通過設計無人機的飛行路線，以其為基礎組成直角三角形并獲取特定目標點位的與返航點距離數(shù)據(jù)，經(jīng)過公式計算，實現(xiàn)任意兩點間的直線距離測算。

以大疆御pro鉑金版機型為例，當GPS信號強度和定位衛(wèi)星數(shù)量足夠時，水平懸停精度可達到+/-0.3米，該機型用于三角法測量的相關配置參數(shù)見表1。

表1 大疆御Pro鉑金版部分參數(shù)配置表

飛行控制系統(tǒng)APP為DJI GO 4，控制界面地圖模式如圖1所示，使用三角法測量兩點距離，例如圖1上的A、C兩點，在確定返航點H后，設計飛行路線H→C→A→B，利用飛行路線軌跡組成直角三角形，獲取返航點H與測點C、A和垂足B的距離數(shù)據(jù)。

圖1 DJI GO 4系統(tǒng)控制界面（地圖模式）及三角法測量圖示

兩個測量對象點A、C間的直線距離定義為L，其中A為與返航點H的近端點，C 為與返航點H的遠端點。返航點H與三個特定點位C、A、B的距離數(shù)據(jù)，分別定義為Lc、La、Lb，當垂足B在AC直線連線的延長線上，根據(jù)勾股定理推導出計算公式為：

當垂足B在AC直線連線上，則計算公式為：

3.無人機三角法測量技術在航道施工監(jiān)管中的應用

某疏浚施工廢碴處理工程需要在一段岸線對開水域的卸區(qū)內(nèi)臨時堆放的超量拋卸物進行清理作業(yè)，施工方案要求作業(yè)船舶不能跨越卸區(qū)邊界施工。

3.1 確定參考線

根據(jù)設計圖所示（圖2），卸區(qū)為一個不規(guī)則的區(qū)域，卸區(qū)外側(cè)邊線與各段壩田內(nèi)的岸線基本平行，長度為927米，其端點X到岸線、航道左邊線的最短距離分別為167米、117米，端點Y到岸線、航道左邊線的最短距離分別為262米、159米。

圖2 某疏浚施工廢碴處理工程卸區(qū)圖

在這個應用案例中，卸區(qū)有上游、下游和外邊線（X Y）這三條邊界，且施工區(qū)域也不僅限于在丁壩的壩田內(nèi)，情況較為復雜，上游和下游的邊界可以在岸上找到參照物判斷，但對施工船舶是否超出外邊線難以界定。經(jīng)現(xiàn)場勘查，施工區(qū)域所處河道的岸線較順直，與卸區(qū)的內(nèi)邊線WZ基本重合，可以在這段岸線或其延長線上找到適合無人機起降的場地，最后確定在卸區(qū)上游與這段岸線處于同一直線上的一個加油站內(nèi)，于其邊緣處空地上選擇一點作為返航點，以岸線WZ及延長線作為直角邊參考線（見圖3），卸區(qū)最大寬度YZ=262米為上限，使用三角法測算出施工船舶到岸線參考線的距離，當這一數(shù)值大于262米時，即可判定施工船舶超出了卸區(qū)外邊線XY。

圖3 卸區(qū)參考線衛(wèi)星圖

3.2 應用實測

在某天對該工程的施工監(jiān)管中，無人機三角法對施工船舶位置快速判定的實測過程如下：

（1）無人機起飛后，飛抵卸區(qū)下游外邊線丁壩靠岸線的端點Z定點懸停，調(diào)整航向角指向返航點H然后徑直返回，在地圖中飛出直線航跡作為岸線參考線（圖4）。

圖4 參考線航跡及施工船A定點

（2）飛抵施工船A的正上方定點懸停，記錄H點與該點的距離數(shù)據(jù)。

（3）調(diào)整航向角指向岸線，飛抵岸線找到施工船A到岸線參考線的垂足B1，進行直角校正，測出B1到H點的距離數(shù)據(jù)635米。

（4）按照上述方法，完成對施工船C、D、E的與返航點距離及到參考線垂足的距離數(shù)據(jù)測算。

綜合數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 三角法測算施工船到岸線距離示意圖

（5）根據(jù)公式計算出施工船A、C、D、E到岸線參考線的距離分別為AB1=254.2米、CB2=229.4米、DB3=332.8米、EB4=282.2米，比對卸區(qū)邊線數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場航拍照片（圖6），可判定施工船舶A、C在卸區(qū)范圍內(nèi)作業(yè)，施工船D、E到岸線距離大于卸區(qū)端點Y到岸線丁壩端點Z的距離262米，超出了卸區(qū)范圍。

圖6 三角法測算施工船現(xiàn)場航拍

3.3 與傳統(tǒng)測量方法對比

在上述施工監(jiān)管應用案例中，若使用傳統(tǒng)方法測量河道中施工船舶到岸線的距離，只能靠測量人員使用GPS測量儀、全站儀、測距儀等儀器，且必須登上船舶或抵達船舶到岸線的垂直連線點方可進行測量，測量耗時長效率低，對交通工具和測量點位置要求高，若施工船舶的作業(yè)位置變化了還需要重新布點測量，無法快速準確地判定施工船舶與施工作業(yè)區(qū)邊界的距離，也無法及時發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)行為并固定證據(jù)。

經(jīng)過施工監(jiān)管應用實測分析，無人機三角法測量技術可應對多種情形的距離測量工作，即使面對情況復雜的案例，通過選擇適當?shù)膮⒖季€和設計合理的飛行路線也能進行有效監(jiān)管，其優(yōu)點在于操作步驟簡單易懂，測量耗時少效率高，且基本不受地形、通視等因素的影響，目前市價千元級別的消費級無人機都帶有可用于三角法測量的功能，性價比極高。不過，其局限性是容易受到天氣因素影響，在大風和下雨等天氣情況下不能使用。

4.結(jié)語

本文通過對無人機三角法測量技術開展深入研究，在航道施工監(jiān)管中進行應用探索與實踐分析，驗證了該方法在航道施工監(jiān)管中快速判定的有效性和可操作性，為航道管理探索出高效和高性價比的應用方法。