溫博， 王偉任， 謝瀚瑩， 甄鍵

（1. 廣西南天高速公路有限公司；2. 萬航星空科技集團有限公司；3. 上海鐵妤工程科技有限公司）

1 簡介

無人機（unmanned aerial vehicle，簡稱UAV）是一種由無線電設(shè)備或由程序控制的無人駕駛飛行器。具體而言，它是動力驅(qū)動，能夠通過無線電地面遙控飛行和自主飛行。無人機系統(tǒng)主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（MDS數(shù)傳電臺是國內(nèi)無人機用得最多的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備）、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。飛控系統(tǒng)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，相當(dāng)于無人機系統(tǒng)的“心臟”部分，對無人機的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，以及無人機接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性，以保證信息反饋的及時有效性和順利、準(zhǔn)確完成任務(wù)。發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機順利升空以達(dá)到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后從天空安全回落到地面。

2 基于無人機全息三維實景物聯(lián)大數(shù)據(jù)的施工安全管理新技術(shù)的應(yīng)用

本文以S308 桂平石龍至樟木公路項目為例，S308桂平石龍至樟木公路位于廣西壯族自治區(qū)貴港市境內(nèi)，是《廣西普通公路省道網(wǎng)規(guī)劃》中“S308”的一段，起點位于桂平市石龍鎮(zhèn)石山村附近，與國道G358相接。路線向西布線，途經(jīng)石龍鎮(zhèn)、慶豐鎮(zhèn)、奇石鄉(xiāng)、中里鄉(xiāng)、東龍鎮(zhèn)、山北鄉(xiāng)，終點位于樟木鎮(zhèn)與來賓交界處。項目測區(qū)跨度五十多千米，屬于典型的喀斯特地貌，地形復(fù)雜、植被茂密，測區(qū)為帶狀沿山谷分布，兩側(cè)高山峽谷，垂直落差較大，增加航拍及施工的難度。

2.1 設(shè)備配備

2.1.1 硬件設(shè)備

1）大疆經(jīng)緯M300 RTK+禪思DJI L1 激光雷達(dá)相機+賽爾PSDK 102S V3五鏡頭傾斜攝影相機1套大疆經(jīng)緯M300 RTK 具有55 分鐘長續(xù)航、飛控穩(wěn)定、強大的機器智能及六向定位避障、RTK定位精確等優(yōu)勢。禪思L1 集成Livox 激光雷達(dá)模塊、高精度慣導(dǎo)、測繪相機、三軸云臺等模塊，搭配經(jīng)緯M300 RTK 和大疆智圖，形成一體化解決方案，輕松實現(xiàn)全天候、高效率實時三維數(shù)據(jù)獲取以及復(fù)雜場景下L1 能夠穿透桉樹人工林獲取地面數(shù)據(jù)的高精度后處理重建；賽爾PSDK 102S V3五鏡頭傾斜攝影相機機身集成五塊2516萬像素影像傳感器，最小拍照間隔可達(dá)0.5次/s，照片自帶POS，讓作業(yè)流程更高效；同時配備了GPS測量儀器采集像控點，驗證成圖的精度。

2）大疆機場+DJI Mavic 3行業(yè)系列1套

大疆機場具備強大的環(huán)境適應(yīng)性，無論嚴(yán)寒酷暑皆可7×24 小時無人值守作業(yè)。通過大疆司空2，在云端可對機場進行任務(wù)規(guī)劃和設(shè)備管理，遠(yuǎn)程制定飛行計劃、自動執(zhí)行任務(wù)，將作業(yè)成果自動上傳歸檔，高度一體化設(shè)計，支持快速部署，解放繁復(fù)勞動。DJI Mavic 3行業(yè)系列緊湊小巧，可一手掌握，方便攜帶；配備機械快門廣角相機、56 倍變焦相機及RTK模塊，支持高精度高效測繪及巡檢作業(yè)；機身耐用，可應(yīng)對長時間作業(yè)挑戰(zhàn)。

2.1.2 軟件應(yīng)用

項目所采用的軟件有大疆智圖、航跡大師、大疆司空 2 和安全管理監(jiān)控平臺軟件。大疆智圖提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應(yīng)用軟件，可一站式幫助用戶全面提升航測內(nèi)外業(yè)效率，將真實場景轉(zhuǎn)化為數(shù)字資產(chǎn)。航跡大師針對大疆無人機傾斜攝影測量的專業(yè)級航線定制軟件，特有的交叉如環(huán)繞航線、仿地航線、仿面航線、變坡航線、立面航線、Lidar航線、電力航線等可以滿足多種場景需求。LiDAR360 專業(yè)級點云數(shù)據(jù)處理平臺軟件，包含了豐富的點云數(shù)據(jù)處理工具，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，有效地編輯、分析以及生成面向不同行業(yè)的地理空間產(chǎn)品[1]。大疆司空2，是由大疆推出的一站式無人機任務(wù)管理云平臺。通過電腦或移動設(shè)備的瀏覽器，既可帶來全面、實時的無人機態(tài)勢感知，也可實現(xiàn)團隊信息的高效聚合、處理與同步。安全管理監(jiān)控平臺可實現(xiàn)整個高速公路的沿線場景可視化展示，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用和安全監(jiān)控大數(shù)據(jù)評價分析，將單一現(xiàn)場安全監(jiān)控革命性升級為實景場景化綜合安全監(jiān)控管理。

2.2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的采集與處理是無人機技術(shù)對公路進行全息三維實景物聯(lián)大數(shù)據(jù)的施工安全管理的基礎(chǔ)，具體步驟為：

①根據(jù)甲方勘察技術(shù)資料和現(xiàn)場踏勘，確定無人機飛行方案及無人機機場的選址。

②地面控制點布設(shè)及測量，盡量保證地面控制點均勻分布。

③執(zhí)行無人機飛行，獲取無人機影像數(shù)據(jù)。

④使用內(nèi)業(yè)軟件處理數(shù)據(jù)，生成三維點云、三維實景模型等多種數(shù)字化成果。

⑤將相關(guān)的成功數(shù)據(jù)資料融入平臺系統(tǒng)中進行管理應(yīng)用。

2.2.1 航線規(guī)劃

本項目前期采集三維點云數(shù)據(jù)使用航跡大師軟件進行規(guī)劃航線，大疆L1激光支持3次回波、測量距離450m(反射率80%，0klx)/190m(反射率10%，100klx)、有效點云數(shù)據(jù)率240,000 點/s；激光點有較大概率能打到地面。根據(jù)項目要求，設(shè)置作業(yè)飛行高度80m，飛行速度8m/s，旁向重疊率50%。在遙控器調(diào)整相機參數(shù)為快門1/1000，白平衡選擇晴天、ISO設(shè)置為自動。

項目施工階段采集三維實景模型使用經(jīng)緯M300配套的航線規(guī)劃軟件DJI Pilot進行航線規(guī)劃，對于地下復(fù)雜落差大的地區(qū)可以使用航跡大師軟件進行仿地飛行規(guī)劃航線，根據(jù)項目要求作業(yè)飛行高度100m，飛行速度10m/s，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，拍照模式采用了等距拍攝。在遙控器調(diào)整相機參數(shù)為快門1/1000，白平衡選擇晴天、色彩模式選擇生動、ISO設(shè)置為50-1000。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

本項目采集的數(shù)據(jù)使用大疆智圖軟件進行處理。對于三維點云數(shù)據(jù)處理包括添加數(shù)據(jù)、設(shè)置點云有效距離、打開點云精度優(yōu)化、選擇輸出坐標(biāo)、選擇成果格式等操作流程輸出las 格式的三維點云數(shù)據(jù)，同時利用激光雷達(dá)附屬的可見光航片生成正射影像數(shù)據(jù)，為后期施工階段航拍提供參考。生成后的三維點云數(shù)據(jù)處理采用LiDAR360 軟件，進行點云去噪、平滑、地面點分類、點云生成等高線、DEM等操作處理。最終成果數(shù)據(jù)制作成1：2000 比例尺DEM、DOM、等高線等基本測繪數(shù)據(jù)應(yīng)用到施工設(shè)計應(yīng)用方面。

使用大疆智圖對于三維實景模型數(shù)據(jù)處理包括多視角圖像特征點提取、特征點匹配、光束法平差、稠密重建、構(gòu)三角網(wǎng)、紋理映射、LOD多層次模型、三維實景模型建立等原理生產(chǎn)成三維實景模型數(shù)字化成果。

3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

3.1 點云數(shù)據(jù)應(yīng)用

應(yīng)用于公路勘察設(shè)計工程的可行性研究、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計和BIM 設(shè)計。傳統(tǒng)公路勘察測量通常采用全站儀、GPS-RTK、水準(zhǔn)儀等測量技術(shù)，對于這種地勢陡峭、地形復(fù)雜的山區(qū)，在測量時受地物遮擋嚴(yán)重、多次轉(zhuǎn)站測量又削弱了測量精度，測量效率低、耗時費力。機載激光雷達(dá)技術(shù)可以通過激光穿透植被，獲得高精度、高密度的激光點云，生成高精度的數(shù)字高程模型、等高線等前期設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；勘察人員無須深入場地即可完成作業(yè)，同時設(shè)計人員可在室內(nèi)根據(jù)此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成中樁、橫斷面和線化圖數(shù)據(jù)以及BIM軟件利用精準(zhǔn)的數(shù)字高程模型生成三維地形曲面，同時疊加影像數(shù)據(jù)，可以在三維場景中進行直觀的方案設(shè)計。

3.2 大疆機場+大疆司空2應(yīng)用

對于公路建設(shè)施工線路長、地形復(fù)雜的工程項目，工地距離遠(yuǎn)、便道長，各項目部到施工點，平均40km，來回耗時長，并且傳統(tǒng)工程進度管理辦法采用報告、報表形式，簡明描述工程實際達(dá)到的形象部位，存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、報告不真實的問題。通過大疆司空2 平臺，在云端可對機場進行任務(wù)規(guī)劃和設(shè)備管理，遠(yuǎn)程制定飛行計劃、無人機自動執(zhí)行精細(xì)化巡檢任務(wù)，管理人員無須到達(dá)現(xiàn)場巡查，即可遠(yuǎn)程隨時查看作業(yè)實況和實時低延時高清畫面直播，在線監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)有施工問題，即可聯(lián)系現(xiàn)場施工人員進行處理；作業(yè)成果自動回傳、歸檔，一站式管理數(shù)據(jù)，隨時分析無人機采集、圖傳圖像信息。無人機執(zhí)行完任務(wù)后自動歸位充電，等待25min 后就能再次執(zhí)行任務(wù)。通過紅外相機，晚上也可以執(zhí)行巡檢任務(wù)，及時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題。

無論白天還是黑夜，都可高效獲取任務(wù)區(qū)域內(nèi)最新的影像數(shù)據(jù)。通過可見光云端建圖，單架次即可獲取約1.5km2的清晰地理影像，了解最新地形狀況和施工進度，可在三維場景中可測量點坐標(biāo)、長度、面積等數(shù)值在模型進行標(biāo)注，對工程建設(shè)過程中的關(guān)鍵進度進行定性、定量分析，查看施工進度，即可有效全面掌握工程進度的周期性變化，規(guī)避進度預(yù)期及施工安全風(fēng)險。

3.3 安全管理監(jiān)控平臺應(yīng)用

通過無人機傾斜攝影定時和不定時航拍處理后的實景三維數(shù)據(jù)上傳到平臺實景模型中，平臺采用流式加載技術(shù)使得數(shù)據(jù)在服務(wù)器被存儲和調(diào)用，運用普通配置的電腦即可流暢對整個三維場景進行高效可視化瀏覽和飛行穿梭。在實景三維場景之上，接入全路段風(fēng)險管控數(shù)據(jù)，可隨時查看不同工點的人為不安全因素、物下不安全因素、環(huán)境不安全因素等具體安全相關(guān)數(shù)據(jù)。同時可在實景模型之上顯示所有隱患排查點，點擊相應(yīng)的隱患點可查看具體隱患的等級、類型和詳細(xì)參數(shù)。平臺接入整個工地的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示在三維場景中，點擊相應(yīng)的圖標(biāo)可實時查看該設(shè)備的監(jiān)控影像[2]。工地上大型機械設(shè)備也是安全監(jiān)測的重點，比如工地塔吊系統(tǒng)接入了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，對于塔吊相關(guān)的力矩、回轉(zhuǎn)、風(fēng)速、傾角等設(shè)備參數(shù)實時獲取，通過界面可實時監(jiān)測所有塔吊的工作狀態(tài)。

4 結(jié)語

隨著公路工程建設(shè)步伐迅速發(fā)展以及無人機航測技術(shù)的發(fā)展在國內(nèi)越來越受重視，本文運用無人機具有巡線機動靈活、巡檢快捷、信息反饋及時、工作效率高效、經(jīng)濟便捷的特點，研究基于無人機全息三維實景物聯(lián)大數(shù)據(jù)的施工安全管理新技術(shù)，將公路施工現(xiàn)場搬到計算機上進行管理，為未來公路施工管理的革新提供建議，使其在安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用趨于信息化、智能化管理。