无人机技术在工程全生命周期中的应用

何 坤，杨玉川

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

1 无人机航测技术

文中以无人机航测、Pix4Dmapper软件和谷歌地球软件为主要技术手段，选取几个工程领域进行研究探讨，分析利用无人机航测技术可开展的相关工作。

1.1 无人机遥感技术

在实际应用中，获取特定区域的数字高程模型（DEM）的地形因子和地形特征线非常重要，而常用的获取方法主要包括人工实测、数字摄影测量与遥感结合法，以及把已有的地形图数字化利用等高线和离散点内插生成DEM法等。由于岩土工程往往具有地形复杂、面积大等特点，有时基本没有相关地形资料，传统方法很难快速获得地形信息。因此，想要获得一种既高效又低成本快速构建目标地形的三维场景，小型无人机具有得天独厚的优势。无人机遥感技术是一种航空遥感手段，不仅可以利用高分辨率相机系统获取遥感影像，而且利用空中和地面控制设备可实现影像自动拍摄和获取。

1.2 Pix4D mapper软件

航拍图像数据采集后，需要构建目标地形的三维场景，此时需要通过其他技术处理转换成地形信息，目前有很多方法可以实现这个过程，文中选择Pix4Dmapper软件处理无人机遥感数据。该软件不仅可以实现自动化处理数据，而且可实现自动计算三维空间基本图像的外部方位元素，并进行图像校准，区域网络调整。另外，添加地面控制点后三维地形图精度会更高。主要方法是：首先选择无人机获取地物、地表影像，之后采用Pix4D软件来迅速构建地形三维模型。该方法虽然采用了传统的以摄影来获取地形数据的方式，但手段方便简洁，数据收集工作效率高，影像数据处理使用Pix4D软件基于点云数据来三维建模，具有高效快速、操作方便、自动化程度高等特点。该软件的操作流程如图1所示。

1.3 谷歌地球软件处理

由于Google earth软件自身提供的地形照片数据为卫星照片，在精确度上往往很差，且不具备时效性。考虑到设计工作有时需要最新且精确的地形数据，可采用近年来较为常用的无人机扫描技术对特定区域地形进行航拍摄影。经实践证明航拍摄影所建立的三维地形数据误差在10 cm级左右，基于许多工程前期设计对精度的要求，航拍建立的小区域大比例尺（1∶2 000）地形图，完全可以满足很多设计工作的需要。

图1 Pix4D mapper软件操作流程图

无人机飞行获取的遥感数据，替代谷歌地球自身卫星图像，实现真正的实时性与高精度，实现地形地貌、滑坡灾害和基础地质等相关数据的统一存储和管理。具体方法是：利用谷歌地球软件的测量功能，结合Pix4Dmapper软件生成特定区域的KML文件，可分析目标区域的长度、面积及岩土方量等定量信息。

2 工程应用

结合相关研究及工程实例，无人机可用在水利水电、地质灾害治理、市政工程等各种工程领域的前期勘测设计、技施设计等多个设计阶段。文中接下来，分别以市政河道清淤工程和地质灾害治理工程为例，探讨无人机扫描技术在工程全生命周期的应用。

2.1 市政工程

市政工程是城市建设的基础工程，往往具有施工工期紧，任务紧迫的特点。而无人机技术在城市河道治理方面，可以有效地加快工程进度。以成都市某河流的清淤工作为例，前期需要对清淤区间内淤积点进行调查，包括淤积位置、高度以及方量等信息。如果仅采用现场尺子测量，工作速度极其缓慢，而且很难测准。经咨询专门的测量公司，发现其要价昂贵而且采用打点方式，速度也不是很快，而且精准度也不高。最后，笔者使用无人机技术来解决该问题，采用无人机航拍技术对研究区间进行航拍摄影，最终将处理的三维地形数据导入谷歌地图，借助其方便快捷的测量功能，可以快速地获得各淤积点的长度、宽度、面积等基本信息。

由某淤积河段的三维地形地图数据可知，借助Google earth的测量功能，可方便获得1～3号点的淤积面积，这是估算淤积方量非常重要的计算指标，之后利用每一个淤积点的数字高程模型DEM，估算出淤积点在水面上的平均淤积高度。最后，结合水下淤积深度，即可比较准确估算出淤积点的清淤方量，对比前面的两种方法，采用航拍技术成本低廉、速度较快，而且10 cm级的误差可以保证其估算清淤方量的准确性。当然，无人机技术在市政工程中的应用绝不仅限于河道治理，合理利用无人机不仅可以快速获取工程区的地貌，从而更精确并有针对性地进行工程设计，从而可以加快工程设计进度。

2.2 地质灾害治理工程

我国西南地区地处青藏高原与次一级的高原与盆地之间的接触带上，山高谷深，在长期的地质演化历史作用下，浅表层岩体较为破碎且风化卸荷严重，许多山体往往存在许多堆积层坡体。在降雨、地下水位变化及地震等外部因素的作用下，往往容易触发较大的地质灾害，轻则发生滑坡、泥石流，重则堵塞河道形成堰塞湖，乃至发生灾难性事故，造成重大的人员伤亡和财产损失。文中结合在西南地区两个地质灾害实例，具体分析无人机技术在灾害治理方面的作用。

在西南地区，山高坡陡，经常发生泥石流地质灾害，常常冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，是山区最严重的自然灾害。在2015年8月，由于长时间的暴雨导致泸州市白腊苗族乡高峰村一带遭遇泥石流侵袭，导致沿高山峡谷地带修建的房屋被冲毁，道路、通讯、电力等基础设施全部中断。在2017年5月份对高峰村多条泥石流沟进行了现场调查，选取其中一条泡桐沟泥石流，进行航拍影像分析。

由泡桐沟航拍三维地形数据可知，泡桐沟比较顺直，采取了拦挡坝的治理方式。采用无人机航拍技术，不仅在前期可以实时获取泥石流灾害信息及初始的地形数据，包括泥石流发生的位置，距离、路径、高差等具体信息，为泥石流沟道的缩尺试验提供宝贵的原型尺寸。而且在沟道治理上还可在拦挡坝坝址选择，及沟道宽度设计等方面提供基础的地形及料源信息，从而辅助设计人员更准确地制定泥石流治理方案。

堰塞湖往往是由火山熔岩流或地震活动等原因，引起山崩滑坡体堵截河谷或河床后贮水而形成的，2008年5月12日汶川特大地震共造成34处堰塞湖危险地带，其中唐家山堰塞湖规模最大，该堰塞湖，距北川县城仅约6公里，危害巨大。当时该堰塞体平均坝高105 m，最大库容3.2亿m3，上下游水位差高达60多米。其坝体由石头和山坡风化土组成，应急处理时期，通过开挖深13 m、宽8 m的明渠，最终解决了隐患。在2017年5月份，至该堰塞湖现场进行航拍测量，获得当前比较新的地形数据。

由唐家山堰塞湖航拍三维地形地图数据知，经过9年左右的河流冲刷，堰塞坝体顺河槽段基本与原始河床高度一致，坝前库区水位大幅降低，坝体由于多年的沉积也趋于稳定。目前在坝体上建了多处房屋，而且道路四通发达，不再是当地的一大危害。借助于无人机技术可以实现地质灾害治理后的后评价事宜，方便易得最新的地形数据，满足地质灾害治理后评价的要求。

3 结论

文中结合在实际工作中对无人机的应用，探讨了无人机技术在工程全生命周期中多维度的应用，重点从地质灾害治理及评价、市政工程两个方面，探讨了无人机技术的应用方法。通过上述工程案例，可以展望无人机在未来水利水电、新能源工程中的应用前景，具体结论如下：

1）对于市政工程，结合其点多面广，且工期要求极其严格的特点，合理利用该技术可以快速获取工程区地形地貌，从而更有针对性地进行工程设计，有效加快工程设计进度。尤其是在河道清淤、闸坝设计、堤岸防护等工程方面，均能起到积极作用。

2）在地质灾害治理及评价方面，采用无人机技术可以系统分析水电库区滑坡触发机制，有助于库区滑坡治理；另外，对于泥石流，该技术可以获取准确的沟道数据，有助于泥石流科学研究（缩尺试验）及治理方案设计；在堰塞湖治理方面，结合无人机获得的三维地形数据，不仅可以在灾害发生前进行监测，而且可以在灾害发生后，人员无法到达的第一时间获得宝贵地质资料，为救援及灾害治理获得一手资料。另外，对于地质灾害的后评价及科学研究上，该技术将会非常有意义。

3）在水利水电工程方面，无人机技术可以解决三维地形的获取问题，另外，在工程前期，辅助设计确定施工条件、交通规划以及主要料场渣场等问题；而且，在工程建设过程中实时监测大坝施工现场及三维效果展示，对于一些人员不易达到区域也可方便地进行监测分析；施工完成后，也可实时监测大坝水库运行情况，避免发生因现场工作人员看不到而触发的灾害事故。无人机技术将以便利快捷的方式获取野外影像数据、服务于水库库区设计、河流及大型水利枢纽等工程项目。

4）在新能源领域，如风能、太阳能等施工场地上，地形相对开阔,具有很好地应用无人机的条件，深度地应用无人机扫描技术可以有效地降低设计成本、加快工程进度。