无人机管理技术在公路建设的应用探讨

■祁宇超 李全林 孙 梅

（新疆兴亚工程建设有限公司， 昌吉 831100）

无人机技术已在不同领域得到诸多创新性应用，其使用场景仍在不断拓展，在工程建设领域同样也有广泛的应用空间。 在高等级公路的施工及运营领域已有部分无人机应用场景， 但主要作为宣传及拍摄涉手段，并未与公路建设工程管理直接挂钩，对收集到的数据信息也未进行系统处理及应用。

依托无人机的超低空遥感技术囊括了VR 增强、机械视觉、3S 以及机器人等专业，利用硬件设备搭载的高光谱、红外、可见光传感器，获取光谱、温度及空间数据， 经信息化处理后形成3D 数字信息模型，可与工程建设设计、施工环节高度融合。 例如在测绘过程中可将IMU 单元、GPS 接收单元以及航测相机搭载在无人机上，以遥感结合摄影测量的方法得以实现[1]。 依托数据处理应用平台，将无人机技术获取的数字信息模型与公路建设管理要求、管理对象相链接，达到施工数字化、可视化管理目标。

在公路建设领域应用基于超低空遥感技术的无人机管理方法， 能高效率实现地形地貌采集、公路建设进度把控，同时对工程建设环境保护等情况进行收集应用。 系统化管理公路建设质量、进度及工程量计量等环节，提升公路建设管理水平，为管理者提供高效、直观、便捷的体验，也为公路建设管理体系开拓出创新性思路，实现产业升级。

1 技术应用要点

无人机管理技术应用过程的实现包含三大部分：项目外业数据收集、数据信息化处理（包含模型搭建）、模型场景应用。

利用高清拍摄设备拍摄获取公路建设项目现场数据，经信息化处理后搭建3D 数字信息模型，依托该模型再做多种形式的技术应用。

1.1 项目外业数据收集

（1）进行公路建设项目现场外业数据收集前须先明确收集区域， 在已明确的区域内设置控制点。利用无人机初步观测采集区地质地貌条件后，用专用油性标记纸在标志性地物处进行铺设（图1）。 针对带状分布的数据收集区域，控制点应按照S 形特征在其左右双侧进行布设， 其布设密度不宜少于3 点位/km，尤其是在地势起伏变化明显时酌情进行加密设置[2]。 完成控制点布置工作后要利用GPS 或RTK 测量设备确认出每个控制点的精准坐标。

（2）按照外业数据收集区域边界及对应的地形资料，在无人机地面端航线规划软件中规划飞行任务。 结合公路建设项目特征，灵活调整无人机飞行参数设定，包括无人机拍摄间隔、航向重叠度、航行速度、相对航行高度等指标。 在正式执行无人机项目外业数据收集航行任务前，应确保航线、飞行参数以及无人机硬件设备的状态均处于正常状态。

1.2 数据信息化处理

无人机管理技术获取的基础数据须进行信息化处理，处理过程主要包括以下几个方面：数据初始化、控制点刺点处理、3D 坐标求解、3D 信息化模型搭建[3]。

1.2.1 数据初始化

在数据处理过程中，提取并匹配利用无人机拍摄获取影像数据的特征点位，得到相对较为稀疏的3D 点云模型。 利用该3D 点云模型，检查验证拍摄设备校正数据、特征点位提取情况与项目实体匹配度、拍摄数据完整度。

1.2.2 控制点刺点处理

利用前期控制点进行刺点处理，实现实体项目控制点3D 坐标信息的信息化平台录入， 作为进一步处理处理求解的基础。

1.2.3 3D 坐标求解

利用所提的少量控制点坐标计算区域网平差情况，接着反求无人机拍摄影像的内方位元素点位以及外方位元素点位，从而求解区域各点位的数字3D 坐标。

1.2.4 3D 信息化模型搭建

基于3D 坐标点云加密， 通过信息化处理重构3D 网格纹理，进而搭建3D 信息化模型。 其中拟合公路建设项目区域地形得到地表数字信息化模型，即DSM；应用影像拼接技术，同时对正投影进行纠偏，获取数字信息化正射影像图，即DOM。

2 技术应用原理

2.1 3D 坐标点云及其模型

通过项目现场测量及无人机拍摄获取的区域外观表面点位的数据集合称作3D 坐标点云。 结合测量及摄影理论可得到D 坐标点云及其模型，模型中可读取RGB 色彩信息、XYZ 3D 坐标信息。 通过该模型能读取并计算公路构筑物空间位置信息以及尺寸信息等。

2.2 地表数字信息化模型

DSM 地表数字信息化模型主要是通过地表各点位高程信息集合来表征公路建设项目区域的地表起伏状态[4-5]。 利用该模型可以获取工程项目断面图、透视图等，实现辅助公路施工土石方计算、高程相关地貌信息分析以及表面覆盖面积测算等功能。

2.3 数字信息化正射影像图

DOM 数字信息化正射影像图是基于无人机摄影影像和遥感影像，经像元纠偏后，按照设定的图幅自动裁切获取数据信息影像。 数据信息影响最大的特点是直观性强，同时利用该模型可灵活便利地量测和判读，包括量测面积、长宽几何信息，判读地表地形特性等[6]。

3 工程应用

3.1 质量管理

无人机灵活性强，可出入各种人工不易到达的复杂区域范围，收集边坡及桥梁数据，信息化处理后获取DOM 及3D 模型，结合公路建设项目设计资料，可高效率分析路基边坡平台宽度、坡率及坡口线等工程质量把控状况（图2）。

图2 边坡质量分析情况

能对桥梁施工过程中的立柱、护筒中心点位等重要节点信息进行施工质量检测（图3），快速识别施工质量瑕疵，最大限度避免安全问题，减少经济损失和人员伤亡。

图3 桥梁质量分析情况

3.2 施工进度管理

利用无人机管理技术定期对公路施工区域进行巡航得到数字信息化正射影像，全面分析进度信息，包括形象进度展示、征地拆迁进度掌握、720 度实景图生成以及5G 巡航功能实现等， 为管理者提供高效、直观、便捷的管理体验。

3.2.1 形象进度展示

形象进度展示是进度管理中的基础性功能，可通过实景拍摄观察工程施工进度，同时可实现道路带状3D 模型总览及局部缩放（图4）。 在浏览过程中也可通过点击拉取等操作获取任意位置的实际坐标、范围体积、区域面积、点位距离等。

图4 进度管理情况

3.2.2 征地拆迁进度掌握

在公路工程建设前期须重点关注征地拆迁进度问题，这直接决定了后续工程建设进度。 传统基于地形图的征地拆迁政策宣传直观性不强，无法准确向老百姓传输工程拆迁要点信息。 应用无人机管理技术，可将数据信息化正射影像结合征地红线信息导入信息化平台，生成3D 展示图像，直观显示涉及拆迁的农田、林地及房屋分布情况（图5）。 同时，对管理人员也可边界掌握征地拆迁进度信息。

图5 征地拆迁信息

3.2.3 720 度实景图生成

控制形工程的要点控制是公路建设管理的重要内容，往往需要管理人员到现场进行勘查，对工程建设推进有一定的掣肘。 利用无人机管理技术生成的720 度实景图可有效解决这一问题。 要实现这一功能，首先须进行数据采集，控制无人机悬停后利用云台拍摄9 张图片， 其中水平视角45°和0°各均匀角度4 张，90°视角地面拍摄1 张。 在数据处理过程中要结合720yun、Photoshop 以及PTGui 等软件平台， 将零散照片合并创建为720 度全景实景图，上传至手机及PC 端软件，可实现视角跟随、屏幕拖动视角、场景切换等功能进行查看，见图6。

图6 手机端720 度实景图

3.2.4 5G 巡航功能实现

实时监控管理已在诸多公路建设项目中得以应用，而此类监控往往角度固定，因此难以避免地存在监控盲区，此外还有着管线断路的风险。 而5G技术的出现提供了低延时、 大宽带的技术支持，将其和无人机巡航技术相结合可实现5G 巡航监控功能，获取实时4K 高清影像，确保快速精准决策，其实现的技术路线见图7。

图7 5G 巡航技术路线图

3.3 工程量计量管理

利用无人机管理技术可实现填挖方、清淤换填等工程环节的工程量计量管理，对区域实施前后的高程数据信息和边界信息进行处理，利用软件实现高精度工程量计量，见图8、9。将该信息和施工方上报计量数据进行对比，可快速、精准地对各方意见未达成共识部分内容进行对比，从而严格控制建设成本支出。

图8 换填管理示意图

图9 土石方软件测算示意图

4 结语

无人机机动性、灵活性强，利用其超低空遥感侦测手段可高效收集公路建设现场地形地貌数据；相关数据经信息化处理后可转换为多种形式，通过计算机程序软件实现工程建设信数据息化管理；结合工程现场其它勘测数据，能够准确把控公路建设质量、进度及工程量计量等环节，为管理者提供高效、直观、便捷的管理体验，也为公路建设管理体系开拓出创新性思路，最终实现产业升级。