小型多旋翼无人机在覆土水工建筑物上部景观设计中的应用

王 乐

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

1 小型多旋翼无人机概述

小型多旋翼无人机也称为多轴飞行器，是直升机的一种，通常有3个以上的旋翼，飞行器的机动性通过改变不同旋翼的扭力和转速来实现。相比传统的单水平旋翼直升机，它构造精简，易于维护，操作简便，稳定性高且携带方便。常见的多旋翼飞行器，如：四旋翼，六旋翼和八旋翼，被广泛用于影视航拍、安全监控、农业植保、电力巡线等领域。小型多旋翼无人机主要由机架、电机、电调和桨叶组成，为了满足实际飞行需要，一般还需配备电池、遥控器及飞行辅助控制系统。无人机航摄可产生的产品主要分为航摄影像、360全景影像、以及三维实景模型三类。航空摄影测量即在无人机上用航摄相机对地面连续摄取具有一定重叠度的照片。飞机上搭载的相机具有固定焦距、传感器尺寸等参数，能在生成高清像素地面实景照片的同时，将拍摄照片时的姿态数据一并保存，还能通过软件生成360度全景高清影像；三维实景模型是通过一组对静态建模主体从不同的角度拍摄的数码照片作为输入数据源，导入专业软件，生成三维实景地模，实景模型生成后还可通过专业软件输出其他多种格式的文件，满足使用者不同的需求。

2 项目概况

该项目位于安徽省涡阳县紫光大道与西环路交汇处西南角街角口袋空地，设计红线长140.2m，宽48.57m，总面积6800.15m2。场地紧邻城市主干道，周边为老城住宅区，市民较为集中，老人、儿童居多，设计需考虑路口集散、儿童游乐及健身休闲的需求。场地内覆土水工建筑物2处，占据大部分场地，其中调蓄池尺寸长80.8m，宽37.6m，位于地下1.5m；进水泵站尺寸长20.3m，宽9.6m，位于地下1m。此外还零散布置检查井、阀门井、通风井、配电箱等高出地面的永久配套建筑物15处。场地特殊的现状条件对景观方案影响很大。

3 项目难点

相较于其他市政景观项目，本项目存在以下难点。首先是覆土水工建筑物及突出地面的永久配套设施对场地方案设计的干扰很大。节点广场、园路需要对高出地面的阀门井、检查井、通风井及配电箱等永久配套设施进行避让，还需留足充足的绿地空间防止游人靠近，造成危险；其次是对植物树种选择的影响，依据《公园设计规范GB51192-2016》，调蓄池及取水泵站埋深小于1.5m，不满足乔木种植所需土壤深度，仅能种植灌木及地被植物。综上所述，该项目场地对测量的位置精度要求较高，需要精确确定各个水工建筑物在平面上的位置，避免对后续工作造成影响。

4 项目应用

由于该项目面积不大，无人机航测仅需操作人员1人即可，首先是外业前期准备工作，根据飞行器和相机的关键参数，结合项目的区域参数，优化飞机的航高、航速，制作控制点，确定飞控方式，根据照片拍摄重叠度要求确定航线，获取航摄照片。具体步骤包括。(1)飞行方案的确定；平行航线飞行、定点旋转飞行、绕建筑物飞等；(2)根据分辨率要求确定航高；(3)根据范围任务规划飞行区域、初拟航次起降点；(4)根据飞行时间确定电池用量，再根据电池电量、充电时长确定总体作业任务时间。

通过无人机携带的倾斜摄影系统，在较短时间内完成场地地形地貌信息数据的采集，再将所有带有信息的照片导入ContextCapture软件，编辑控制点、进行空间三角重建后生成三维实景模型，为场地测量的准确性提供数据基础。

三维实景地模生成后便能利用ContextCapture软件将模型数据导出为DEM高程数据文件，再将其导入ArcGIS，对现状场地进行地形、坡度、朝向、汇水等分析，识别场地特征，为设计方案论证提供边界约束条件，保证工程与水工建筑物及外围区域有效衔接，减少对现状周边环境的影响。

最后在ArcGIS软件中输出DXF格式文件，通过CAD软件打开后能在图纸上显示出地面水工建筑物的位置，后续方案设计工作便能在此基础上迅速开展。

5 小型多旋翼无人机的优势与劣势

5.1 优势

首先，小型多旋翼无人机尺寸小，便携性强，能够节省大量人力物力成本，根据项目体量，一般仅1～2人操作无人机即可；其次是易操作，无人机航测对操作人员专业测绘知识要求不高，仅需了解无人机操作、无人机主要参数和性能指标及无人机航摄相关知识即可；第三，无人机挂载的摄像系统配置很高，以本次所使用大疆精灵4Pro为例，其配备了1英寸2000万像素影像传感器，可拍摄4k/60fps帧率视频，专为航拍设计的等效24mm，f/2.8广角镜头由7组8片全玻璃镜片组成，具备出色的图像解析力；且无人机配备的实时图传系统能将图传距离达到8km，不需人员跟随无人机移动，只需原地待在无人机起航点即可。

外业航飞工作完成后，内业数据分析仅需通过ContextCapture软件便能完成，效率很高。基于无人机航拍的这组项目区实景照片通过软件自动提取生成为数字化地形模型，三维实景模型能够提供准确的地形地貌及场地内建筑物位置信息，为设计的准确性、科学性提供基础，实现工程总体布置的有效控制。对于其他项目，如需有土方平衡需求或填挖方计算，还能利用三维实景模型准确确定竖向设计和自动准确计算工程量，这直接影响设计成果，对控制工程造价也起到关键作用。

后续方案平面设计完成后，通过方案建模也可与三维实景地模进行耦合，对方案能够直观控制；除此之外，利用三维实景模型进行一系列分析，图面表达更加新颖直观，增加方案汇报时的效果。在后续阶段三维实景模型还能指导施工控制，

5.2 劣势

小型多旋翼无人机所拍摄为正摄影像，视角单一，三维实景模型也是根据实景照片数据进行处理，因此，它对场地现状也有一定要求，场地内如有现状乔木、建筑物，影像只能拍摄到顶部，因此在三维实景图像处理时便会产生破面，影像最终的三维实景模型效果。由于该项目进场航飞时属于水工建筑物已开始施工阶段，项目区内已进行场地平整，因此航飞影像质量并未受到较大影响。

除此之外，小型多旋翼无人机所摄实景照片并不带有坐标位置信息，因此还需要业主方提供道路路网CAD，并进行手动校准，一定程度上增加了工作的繁杂性。

6 总 结

小型多旋翼无人机在景观设计中的应用能够极大缩短设计前期查勘工作时间，也不需派驻多人进行现场查勘，设计人员通过航飞回来的高精度实景照片便能随时查看场地地貌，使他们能够有更多的时间构思方案，提高设计效率；但现阶段自身局限性导致其使用的局限性，对于山地植被茂密或构筑物密集等现状较为复杂的区域，其拍摄的影像数据未能达到项目所需精度，这便还需要专业测绘人员利用专业设备进行测绘完成之后的数据。但总体而言，小型多旋翼无人机的巨大优势能够满足中小型项目的需求，这也是它在景观设计中能够得到越来越广泛使用的原因，它使景观方案布置设计能相互协调、效果比选更方便快捷，设计准确度和效果的可控性得以显著提高，极大地提高了生产效率和质量。