无人机技术在工程全生命周期中的应用研究

杨玉川，周顺文，辛立光，杨兴国，周家文

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2.四川蜀禹水利水电工程设计有限公司，成都 610072；3. 四川大学水利水电学院，成都 610065)

0 引 言

无人机技术经过长时间的发展，其性能不断完善，可操控性越来越好，尤其是随着计算机、通讯、导航等技术的快速发展，使无人机技术开始从研究阶段向实用阶段高速发展。目前无人机技术已经广泛应用于各个行业，尤其在遥感测绘领域[1,2]，如2003年国内第一次大面积使用无人机技术，获取了威海市六十多万平方公里的遥感数据。另外，在2008年汶川地震、2013年芦山地震、还是今年的九寨沟地震，无人机在地震灾区均扮演重要角色，获取人员不可到达区域的宝贵救援资料，为救援、灾情评估提供有利依据，极大帮助抗震救灾工作。

目前国内外众多学者都对无人机航测技术各方面进行了系统性的研究，如西南交通大学的李永树[3]系统分析了无人机航测系统的结构及主要功能,探讨无人机影像制作大比例尺地形图的主要流程，以及如何利用无人机影像试验制作数字产品等；程崇木等对影响固定翼无人机航空摄影系统最终产品质量的主要因素进行分析, 并提出提高无人机测量精度的解决方法[4]；Turner等[5]基于无人机高分辨率图像分析了在长时间段内的滑坡变化动态，并且分析了测量过程中的误差范围；李玉成与邹晓列[6]通过对实际无人机影像数据的精度对比分析，证实无人机低空摄影测量能够满足绘制1∶1 000地形图的精度要求；周磊等[7]通过研究GPS实时动态差分技术和数据后处理等关键技术实现了固定翼无人机航摄系统在山区丘陵和城区居民地两种复杂地形的1∶500大比例尺DOM和DEM的绘制，等等。

但目前在应用无人机方面很多仅局限于拍摄现场图像或获取视频资料，缺乏对无人机采集图像的深度加工应用，本文结合使用小型无人机的经验，探讨无人机扫描技术在工程全生命周期中的应用。

1 无人机航测技术

本文以无人机航测、Pix 4 Dmapper软件和谷歌地球软件为主要技术手段，选取常见的几个工程领域进行研究探讨，分析利用无人机航测技术各方面优势可开展的相关工作。

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[8]。往往岩土工程具有地形复杂、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[9]。无人机遥感技术是一种航空遥感手段，具有持续时间长、高危地区探测、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。本文使用的是大疆公司生产的精灵系列无人机，续航时间在20 min左右，使用易操作的飞控软件即可对目标区域地形进行实时扫描。

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，本文选择Pix4D mapper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。

图1 Pix4D mapper软件操作流程图Fig.1 The operation process of Pix4Dmapper

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[9,10]，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。

无人机飞行获取的遥感数据，替代过时而又模糊的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Pix 4 Dmapper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 工程全生命周期应用

目前许多水电公司的业务开始从传统的水利水电工程向多维度进行转型升级， 而无人机技术正好可以满足水利水电工程及其他领域的应用要求。

无人机航测具有方便灵活、高效便捷、成本低、适应范围广泛等优点，而采用无人机技术航测的精度最多在厘米级[11, 12]，针对工程建设全生命周期中的众多内容均可进行应用。结合笔者航测经历，无人机可用在工程现场监测、地质灾害勘察、市政工程、新能源、效果展示等方面。接下来，主要从三个阶段探讨无人机扫描技术在工程全生命周期的应用。

2.1 前期勘测-以河道治理工程为例

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，这里主要讲无人机技术在城市河道治理方面，如何有效地加快工程进度。笔者有幸参与了成都市某河流的清淤工作，主要负责的是对清淤区间内淤积点的调查，包括淤积位置、高度以及方量等信息。接触工作的前期仅采用现场尺子测量，工作速度极其缓慢，而且很难测准。之后想到要请专门的测量公司，发现其要价昂贵而且采用RTK打点速度仍较慢。最后，想到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，如图2所示，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。

图2 某淤积河段的三维地形地图数据 Fig.2 The three dimensional terrain of some deposition reach

由图2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，可以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设计，加快进度。

2.2 施工阶段应用-以水库扩建工程为例

以某水库扩建工程为研究对象，在工程现场使用小型无人机，不仅获得了工程现场的宣传资料，而且基于倾斜摄影技术获取了坝址区的地形数据，包括三维地形图：数字正射影像图DOM[图3(a)]和数字高程模型DEM[图3(b)]，而且按照要求生成等高距为2 m的等高线，如图3(c)所示，可以实时监测大坝填筑高度。

图3 方田坝水库的三维地形数据Fig.3 The three dimensional terrain of Fangtian dam reservoir

根据其数字正射影像图DOM可知，业主及施工单位营地的位置，上坝公路及下游料场的位置。由其数字高程模型和等高线可分析目标区域各部位的高程范围，以及大坝填筑高度，非常直观形象。结合水利水电工程施工程序，可知采用无人机技术可以完成许多工作，在前期可以结合现场的数字正射影像图DOM，初步分析设计工程的施工条件、交通规划以及主要料场渣场等，从而辅助设计方案比选与优化。之后，根据其三维地形数据可以对选定料场区域分析各种料源的分布、储量及开采运输条件等。另外，结合数字高程模型及地形图可以对一些高边坡进行初步设计，得到一些设计成果。

2.3 后期监测及效果展示应用-以地质灾害为例

我国西南地区由于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。本章结合在西南地区航拍的一些地质灾害现场，具体分析无人机技术在灾害治理方面的作用。

2.3.1 泥石流

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16日至17日，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，导致当时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，共造成20多人伤亡。在2017年5月份对高峰村多条泥石流沟进行了现场调查，这里仅选其中一条泡桐沟泥石流，进行航拍影像分析，如图4所示。

图4 泡桐沟航拍三维地形数据Fig.4 The three dimensional terrain of Paotonggou debris flow

由图4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。

2.3.2 堰塞湖

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，而唐家山堰塞湖是其中最大的堰塞湖，距北川县城约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m。其坝体由石头和山坡风化土组成，通过开挖深13 m、宽8 m的明渠，最终解决了隐患。在2017年5月份到该坝址处，进行了现场的航拍测量，获得当前比较新的地形数据，如图5所示。

图5 唐家山堰塞湖航拍三维地形地图数据 Fig.5 The three dimensional terrain of Tangjiashan barrier lake

由图5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程一致，坝前库区水位大幅降低，而且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，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，完全可以满足地质灾害治理后评价的要求。

另外，当时一同触发的徐家坝堰塞湖，位于绵竹县境内的燕子堰河上，一旦溃决将危及汉旺镇和绵竹县城的安全。经过9年之后，再次到现场勘察，获得其无人机飞行数据，可以清晰地看到库区水体的流动路径，为研究其渗漏情况提供第一手的资料，如图6所示。

图6 徐家坝堰塞湖航拍三维地形数据Fig.6 The three dimensional terrain of Xujiaba barrier lake

由图6可知，徐家坝经过多年的渗流，库区水位基本保持不变，其库区水体流动的路径仅通过现场的踏勘很难确定，而基于无人机摄取的三维地形，可以帮助确定库内水体从明流到暗流的渗漏通道，为研究徐家坝库区多年的水体平衡提供技术支撑。

3 结 语

本文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，重点从市政工程、水利水电工程、地质灾害治理及评价三个方面，系统探讨了无人机技术的应用思路。具体研究结论如下：

(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，合理利用无人机技术可以快速获取工程区地形地貌，从而有针对性地进行工程设计，有效加快工程进度。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。相信未来无人机技术将以更加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；

(3)在地质灾害治理及评价方面，对于泥石流，无人机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；而在堰塞湖治理方面，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。

无人机航测精度虽然受多种因素控制，但只要运用得当，航测的平面中误差和高程中误差均能满足1∶500地形图的精度要求[1,4,6,7,11-13]。因此，在工程建设过程中，利用无人机技术不仅可以准确进行前期勘测及施工设计，而且可以实时监测施工现场及进行三维效果展示。另外，对于一些人员不易达到区域也可方便地进行工程完建后的监测分析， 从而实现为土木工程全生命周期内的服务。

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