韋雅妮，莫江濤

摘 要：介紹了在市政工程施工過程中，無人機(jī)（UAV）航拍測繪技術(shù)的數(shù)據(jù)在生產(chǎn)、安全檢查中的應(yīng)用。結(jié)合工程案例，針對(duì)無人機(jī)測繪技術(shù)巡測距離遠(yuǎn)、定位精度高、操作效率快、運(yùn)營成本低等特點(diǎn)進(jìn)行研究，以期為無人機(jī)在工程巡檢中的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：市政工程；安全巡檢；無人機(jī)；航測技術(shù)；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TB22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）04-0082-03

1 技術(shù)概況

1.1 技術(shù)簡介

隨著近年來民用無人機(jī)技術(shù)的長足發(fā)展，其續(xù)航、操控及負(fù)載都有了突飛猛進(jìn)的提高。不需要以往專業(yè)的額外掛載設(shè)備，民用無人機(jī)也能收集、獲取到高清高精的數(shù)據(jù)，為測量測繪領(lǐng)域創(chuàng)造了極大的便利條件，使得航測這種曾經(jīng)“高高在上”的地理數(shù)據(jù)技術(shù)得以作為新的測量巡查手段。

目前其主要技術(shù)成果有傾斜攝影、DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型圖）、全景、彩色云點(diǎn)、實(shí)景模型等。為此無論是項(xiàng)目前期策劃、生產(chǎn)過程監(jiān)控，還是安全巡查，采用無人機(jī)航拍測繪技術(shù)都可以有效地提升市政工程施工過程檢查的工作效率。

1.2 設(shè)備簡介

長期的課題實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，“大疆”品牌的悟12.0無人機(jī)及御2 PRO 無人機(jī)的大小搭配，在工程應(yīng)用中實(shí)用性更強(qiáng)。這套方案既便于攜帶、航時(shí)長（0.75 h以上）、高清、廣角互補(bǔ)，也能抗強(qiáng)風(fēng)、抗較強(qiáng)電磁干擾，具備6向智能避障，確保了市政工程復(fù)雜環(huán)境下飛行安全，性價(jià)比高。

2 工程現(xiàn)狀及現(xiàn)場巡查技術(shù)難點(diǎn)

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

目前分公司市政工程主要集中在柳州市北部生態(tài)新區(qū)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共8個(gè)在建項(xiàng)目，包含市政道路、管道、給水、電力、排污、園林等多個(gè)專業(yè)工程，項(xiàng)目包括超過危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，總造價(jià)共計(jì)1.1億元，分部廣路線復(fù)雜。北部生態(tài)新區(qū)項(xiàng)目分布圖如圖1。

要完成全覆蓋現(xiàn)場巡檢，只能分不同時(shí)間多次開展。同時(shí)分公司質(zhì)量安全部對(duì)5～7月項(xiàng)目巡檢情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，覆蓋率僅為70.83%，無法達(dá)到全覆蓋要求。

2.2 巡查技術(shù)難點(diǎn)

最優(yōu)化的巡檢路線要保證該區(qū)域能被完全覆蓋。經(jīng)實(shí)踐，現(xiàn)場巡查想要達(dá)成該效果總用時(shí)需4 d，開車檢查總里程累計(jì)需200 km左右，需要大量巡檢時(shí)間。且由于人的視線及記憶有局限性，現(xiàn)場踏勘過程中拍攝的影像資料往往和平面定位無法一一對(duì)應(yīng)，容易造成漏檢。

在傳統(tǒng)現(xiàn)場踏勘巡檢中，為了解決此問題，只有通過現(xiàn)場不斷移動(dòng)和多角度拍攝才能彌補(bǔ)此問題的不足。無視線遮蔽物的項(xiàng)目尚好，而那些現(xiàn)場復(fù)雜的項(xiàng)目將消耗檢查人員的大量時(shí)間。收集的信息雜亂，往往回到辦公室才能整理歸檔，過程中又有可能造成缺漏，不利于對(duì)現(xiàn)場安全巡檢隱患的排查及整改復(fù)核。經(jīng)集體討論研究以及實(shí)地實(shí)踐通過比選，一致認(rèn)為，在巡檢中應(yīng)用無人機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)北部生態(tài)新區(qū)8個(gè)項(xiàng)目采用無人機(jī)飛行巡檢[1]。

3 無人機(jī)的應(yīng)用

3.1 方案比選及巡檢規(guī)劃

3.1.1起降場地的選擇

區(qū)域內(nèi)南面有山脈阻隔最高海拔為230 m，8個(gè)項(xiàng)目呈由中心向四周發(fā)散的分布，區(qū)域內(nèi)高層建筑物集中在沙塘鎮(zhèn)南北走向的條狀區(qū)域，8個(gè)項(xiàng)目被分割開來。為此起降場地必須在相對(duì)海拔高的建筑物上起飛。而“北部生態(tài)新區(qū)創(chuàng)業(yè)園1#～11#室外景觀工程”在區(qū)域中心，項(xiàng)目內(nèi)有高層建筑滿足各項(xiàng)要求，為此起降場地高最終在8個(gè)分散的項(xiàng)目中選取“北部生態(tài)新區(qū)創(chuàng)業(yè)園1#～11#室外景觀工程”作為巡檢中心點(diǎn)及起降點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)有：①在8個(gè)項(xiàng)目中居中。②該項(xiàng)目主體建筑5#樓為附近區(qū)域（半徑5 km）最高建筑，樓頂視野開闊，無復(fù)雜的信號(hào)遮擋源，有利于無人機(jī)飛行控制過程中的安全。③起飛平臺(tái)開闊，水、電使用及后勤保障方便。

3.1.2拍攝方式航線規(guī)劃的選擇

選好起降場后，要進(jìn)行航線規(guī)劃的比選。在大疆航線規(guī)劃軟件DJI PILOT 中，對(duì)采用航帶飛行路線、航線飛行路線、航點(diǎn)飛行路線拍攝全景圖這三個(gè)方案進(jìn)行了討論。

如圖2是航帶飛行路線，其優(yōu)點(diǎn)為：①航線簡單，通常為一條航線。②飛行用時(shí)少，單塊電池利用率高，5～6塊動(dòng)力電池便可完成8各項(xiàng)目的飛行巡檢。③照片拍攝數(shù)量少，照片篩選時(shí)間短。④電腦運(yùn)行生成DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型圖）用時(shí)少。其缺點(diǎn)為：DOM圖及DEM圖成圖分辨率較低，在1∶3000～1∶2000。

航線飛行路線優(yōu)點(diǎn)有：①照片重疊率高。②電腦運(yùn)行生成的DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型圖）質(zhì)量高。③成果影像細(xì)節(jié)豐富。④高程圖誤差相對(duì)較小。缺點(diǎn)為：①拍攝區(qū)域往返航線多，通常為5～6條。②電池消耗量大，往往單個(gè)項(xiàng)目便可消耗3塊動(dòng)力電池。③巡檢用時(shí)長，往往一個(gè)上午僅能完成兩個(gè)項(xiàng)目的巡查。④照片影像資料大，電腦生成成果用時(shí)長，在以往的實(shí)踐中，1 d僅能生成一個(gè)項(xiàng)目的成圖成果。

航點(diǎn)飛行路線拍攝全景圖優(yōu)點(diǎn)為：①航線簡單，可針對(duì)檢查需要對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)拍攝。②設(shè)置好航點(diǎn)任務(wù)后，可在拍攝后無人機(jī)自主生成全景照片，極為方便后期內(nèi)業(yè)導(dǎo)入720云。其缺點(diǎn)為：①對(duì)長距離施工的項(xiàng)目，其照片拍攝任務(wù)量巨大，單航點(diǎn)一張全景圖的生成便需要拍攝26張照片，與航帶圖相比28個(gè)航點(diǎn)便需728張。②全景拍攝航點(diǎn)多滯空時(shí)間長，電池消耗大效率低。③拍攝用時(shí)長造成項(xiàng)目巡檢效率極低。

3.2 制定技術(shù)對(duì)策

經(jīng)過比選發(fā)現(xiàn)三個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)討論分析最終一致決定，將三個(gè)方案有針對(duì)性地應(yīng)用在不同項(xiàng)目上，編制成8個(gè)項(xiàng)目總的無人機(jī)選件規(guī)劃實(shí)施方案。

3.2.1 航帶規(guī)劃

針對(duì)市政道路、管網(wǎng)、電力、給水工程，采用航帶規(guī)劃。其具體實(shí)施對(duì)策如下：第一，根據(jù)攝影測量規(guī)范，結(jié)合分區(qū)的地形條件，測圖等高距，考慮基高比，綜合考慮成本、效率、效果等因素，確定地面分辨率（GSD）為7 cm，采用大疆悟12.0無人機(jī)，續(xù)航時(shí)間30 min。

第二，在作業(yè)期限內(nèi)，航攝時(shí)間的確定需要是以下要求：①大氣透明度好，光照充足。②地表植被及其覆蓋物對(duì)攝影成圖影像最小。③考慮太陽高度角與陰影倍數(shù)，盡量在正午前后3 h作業(yè)。④在風(fēng)速小于4級(jí)，陣風(fēng)小于5級(jí)的時(shí)候進(jìn)行航測。

第三，因此類項(xiàng)目多為地勢(shì)平緩的道路周邊，航空攝影基本技術(shù)指標(biāo)可設(shè)為：①所獲取影像為全真色彩的平面1∶2000的DOM（數(shù)字正射影像圖）。②航線按管路、線路中心線敷設(shè)，要求一張航片覆蓋一幅圖，航向重疊50%～50%，旁向重疊50%～50%，滿足正常的邊緣無畸變平面影像地圖為準(zhǔn)。③為避免地表反射光線，降低無人機(jī)鏡頭進(jìn)光亮，可安裝偏正鏡頭蓋[2]。

3.2.2航線規(guī)劃與航點(diǎn)+全景攝影相結(jié)合

針對(duì)室外景觀、LNG氣站這類有超危大工程的項(xiàng)目，采用航線規(guī)劃與航點(diǎn)+全景攝影相結(jié)合。其具體實(shí)施對(duì)策如下：第一，根據(jù)攝影測量規(guī)范，結(jié)合分區(qū)的地形條件，測圖等高距，考慮基高比，綜合考慮成本、效率、效果等因素，確定地面分辨率（GSD）為4 cm，采用大疆御2 PRO無人機(jī)，擴(kuò)容電池，續(xù)航時(shí)間50 min。

第二，在作業(yè)期限內(nèi)，航攝時(shí)間的確定需要是以下要求：①大氣透明度好，光照充足。②地表植被及其覆蓋物對(duì)攝影成圖影像較小，重點(diǎn)部位可通過航點(diǎn)全景攝影彌補(bǔ)。③考慮太陽高度角與陰影倍數(shù)的限制要求較低，可通過后期調(diào)光彌補(bǔ)，夏季可在8：30～18：00范圍內(nèi)作業(yè)。④在風(fēng)速小于4級(jí)的時(shí)候進(jìn)行航測。

第三，此類項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜存在丘陵、高壓電塔、高層住宅樓、移動(dòng)信號(hào)塔。為此航空攝影基本技術(shù)指標(biāo)因特別注意：①巡檢過程全程開啟無人機(jī)6向智能避障功能，避免撞擊障礙物，造成墜機(jī)傷人。②所獲取影像為全真色彩的平面1∶1000的DOM（數(shù)字正射影像圖）及DEM（數(shù)字高程模型圖）。③航線按項(xiàng)目施工及毗鄰區(qū)域全覆蓋S型敷設(shè)，要求一張航片覆蓋一幅圖，航向重疊60%～70%，旁向重疊60%～70%，滿足基礎(chǔ)距離測量、高程測量，可視范圍安全防護(hù)設(shè)施外觀觀測。操作流程如圖3。

3.3 技術(shù)對(duì)策實(shí)施及成果檢查

3.3.1巡檢實(shí)施流程

編制了具體實(shí)施流程及針對(duì)性的航線規(guī)劃后，開始以“北部生態(tài)新區(qū)創(chuàng)業(yè)園A1#～A11#室外景觀工程”作為巡檢中心點(diǎn)于8月中旬對(duì)8項(xiàng)目開展航攝巡檢。在確保安全返航電量的前提下，長線項(xiàng)目平均用時(shí)30 min，點(diǎn)面項(xiàng)目平均用時(shí)40 min，8個(gè)項(xiàng)目總用時(shí)300 min（5 h）。內(nèi)業(yè)影像處理階段為縮短成圖用時(shí)，采用兩臺(tái)中等配置電腦進(jìn)行空三加密及數(shù)字影像圖處理，經(jīng)統(tǒng)計(jì)總用時(shí)37 h，便可完成8個(gè)項(xiàng)目建圖工作。

3.3.2成果質(zhì)量檢查及管理應(yīng)用

抽取4個(gè)項(xiàng)目工程進(jìn)行成果質(zhì)量檢查。成圖后通過PIX4D軟件的二次調(diào)繪，四個(gè)項(xiàng)目的DOM（數(shù)字正射影像圖）在各項(xiàng)目施工區(qū)域內(nèi)的圖像分辨率和畸變情況均滿足巡檢觀測要求。隨后通過在巡檢的起降現(xiàn)場實(shí)施圖片檢查，便排查了8個(gè)項(xiàng)目中的現(xiàn)場36條安全隱患，圖4為局部隱患突出的圖例。再通過后期對(duì)各項(xiàng)目DOM圖的檢查，首次無人機(jī)檢查便排查出現(xiàn)場安全隱患12類，87處安全隱患。小組成員要求各項(xiàng)目按期整改消除隱患，閉合后再用無人機(jī)復(fù)查，隱患整改得到了有效落實(shí)。但DOM圖也有其局限性，無法觀測高度。對(duì)基坑、管溝此類工程便無法有效觀測其大致開挖深度，對(duì)其邊坡防護(hù)是否符合要求無法判斷。這時(shí)建模時(shí)同時(shí)生成的DEM（數(shù)字高程模型圖）便可提供管理應(yīng)用的參考。

3.3.2.1 江灣大道供水管網(wǎng)工程

通過對(duì)DEM與DOM圖的分析，可知該路段北高南低，東高西低。已開挖的管溝與低洼區(qū)域毗連，在下雨時(shí)極易在整條已開挖的管溝內(nèi)窩水且不易排出，造成管溝塌方。在誤工的同時(shí)，也會(huì)對(duì)下溝作業(yè)人員形成安全風(fēng)險(xiǎn)。為此在分析完畢后，通知該項(xiàng)目及時(shí)整改，并要求開挖后續(xù)管溝時(shí)，鉤機(jī)將土堆放在管溝西側(cè)，防止雨水倒灌。

3.3.2.2 沙塘LNG氣站工程

該項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)開挖深度＞5 m屬超危大工程，其東北角為在施擋土墻。從圖4可看出，坡頂?shù)娇拥捉^對(duì)高程差為-19 m左右（絕對(duì)高度106～125 m）。經(jīng)DOM圖與DEM圖相比較（見圖4），可發(fā)現(xiàn)基坑上方為沖孔樁的泥漿池，邊坡極其不穩(wěn)定，基礎(chǔ)開挖工序若繼續(xù)施工，將會(huì)造成重大的邊坡坍塌事故。為此小組成員及時(shí)要求該施工區(qū)域停止開挖，與項(xiàng)目合作方及時(shí)溝通，落實(shí)了先完成樁施工，落實(shí)邊坡防護(hù)后再對(duì)該部位基礎(chǔ)進(jìn)行開挖。

4 結(jié)語

本次航測巡檢活動(dòng)，小組成員全面掌握了小型無人機(jī)航測安全巡檢在市政工程中的應(yīng)用。在解決問題的過程中，以工程實(shí)際和應(yīng)用數(shù)據(jù)為依據(jù)，在作業(yè)過程中找出了問題的癥結(jié)，分析原因，制定對(duì)策，使小組成員解決、分析問題的能力得到了顯著提高。同時(shí)提高了該區(qū)域項(xiàng)目的安全巡檢效率，整改落實(shí)情況可追溯性更強(qiáng)，檢查覆蓋率由原來的平均70.83%提高到了100%，得到了合作方的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 曲林，馬洋，支玲美，等.基于無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維建模研究[J].測繪與空間地理信息，2015（3）：38-39+43.

[2] 李世興，莫江濤.無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用于電力配網(wǎng)改造項(xiàng)目中的研究[J].建筑施工，2019（6）：1116-1117+1132.