低成本无人机建模在公路施工前期中的应用

罗滔 范宇轩 朱祥慧

（四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都 610000）

1.项目概况

宁攀高速公路（沿江高速）从宜宾市沿金沙江而上，经过宜宾新市镇，进入凉山州雷波、金阳、宁南、会东、会理，最后到达攀枝花市区。路面为双向四车道，设计速度每小时80km。整个线路全长约478km，其中大部分在凉山境内，是国高网G4216成都至丽江高速公路的重要组成部分。

本项目处四川省西南部，属云贵高原北部的横断山区，位于四川盆地向云贵高原过渡地带，山脉走向近南北向，基本与金沙江支流平行，岭谷相间，山高谷深。测区海拔高程一般在600m～1200m。大部分呈陡崖分布，人口稀少，交通不便。沿线不良地质主要有断层、坍塌、滑坡、错落、危岩落石、岩堆、泥石流、岩溶等，测汇及施工难度极高。

本文以沿江高速TJ2-TJ3作为案例分析，通过无人机航测建模及模型分析，辅助总规设计及地质安全防控。项目位于宁南县新家湾和花山村境内，起于新家湾黑水河隧道出口（K268+013），途经长五间、花山村、上花山、至于曾家弯子二台坡隧道出口（K278+317），全线长10.304km。施工项目航拍如图1所示，施工线路地图如图2所示。

图1 施工项目航拍图

图2 施工线路地图

2.技术选择

2.1 航测仪器的选择

沿江高速设计红线长、地质风险大、施工环境复杂，为保障航测工作的安全性、精准性、可靠性，通过对无人机市场进行调查，最终选择了大疆精灵Phantom 4 RTK作为航测无人机，其作为一款小型多旋翼高精度航测无人机，便携易用，全面提升航测效率。

性能参数：相机型号：FC310R；传感器尺寸：13.2mm×8.8mm；像幅尺寸：5472×3648；相机焦距：8.8mm；抗风等级：6级。相元大小：2.41μm，13.2mm/5472=2.41228μm；“大疆精灵4-RTK”采用双冗余度MU和指南针来提升安全性。定位系统采用双备份GNSS系统，高精度GNSS系统采用了DRTK实时差分定位技术，领先的飞控及厘米级定位系统保证了航线精度和飞行姿态的稳定，减少飞行高度变化对影像间比例尺影响，进行免像控作业精度可达厘米级。

2.2 建模软件的选择

在对于无人机测绘数据进行处理时，目前业内使用较广的一般是Context Capture、PIX 4D等，其高度自动化和智能化给航测模型建模带来了极高的工作效率。在硬件方面也得到了国内外许多无人机的支持，软件和硬件的迭代给航测带来革命性的改变，推动着无人机航测飞速发展。本文暂时只讨论Context Capture（下文简称CC）作为无人机航测模型处理软件。

作为一款基于数字影像生成三维模型的软件，主要是通过对需要处理的图片进行空中三角测量后使用Engine对数据进行优化计算后再建立三维模型，其需要的素材可以来源于数字相机、手机、无人机载相机。基于CC生成的模型使得用户能够通过分析，准确地掌握所需要构建物体和对象的实际情况，进行与之相关的风险管理、安防管理、监测建筑、施工计划等，从而使得业主和施工单位做出最佳的优化决策，降低了风险，减少了成本[1]。

3.航拍实施

在图像数据采集及建模中过程中会产生一定的误差，且因使用低成本无人机精度不高，但这并不影响总体规划。下面就具体工程项目，通过对方案的应用以及数据处理后的分析对辅助总规设计与地质风险防控的有效性进行阐述。

3.1 航拍方式

飞控软件参数设置如图3所示。

图3 飞控软件参数设置

（1）本项目因地形及红线设计等原因，航线规划为倾斜摄影、正摄摄影共二组，有助于在对施工现场进行更精细的拍摄和建模。（2）飞行高度为200m，采用仿地飞行（地形跟随）无人机与地面距离始终保持在100m，从而避免在遇见山体斜坡等地形中导致无人机无法把控出现“炸机”或所摄相片精度不够等状况。（3）特征区域飞行高度200m，采用倾斜角为45°的倾斜摄影，航向重叠率设置为80%；旁向重叠率设定达到70%。（4）地图软件使用奥维互动地图。（5）航线规划软件使用Rockycapture。

3.2 航测作业

在Rockycapture中提前规划好航线（倾斜栅栏飞行、正摄飞行一组），链接至DJI GO 4，使用DJI GO 4启动无人机，在起飞前拍摄实验片，检查ISO感光度、光圈、快门速度等相机参数设置，无问题后起飞进行航拍。起飞时按照Rockycapture中相关提示及按钮，系统操作无人机飞至航线起点，进行航线拍摄，默认为2s拍摄一张。拍摄完成后将无人机收回，于移动端内检查照片是否有明显的问题，无问题后结束拍摄。本次拍摄获得现场照片共计394张。

4.建模过程

在CC中创建一个新project，在Photos里选择“Add photos selection”，将无人机所拍摄的照片导入其中，CC确认无误后单击“submit aerotriangulation”对素材照片进行空中三角测量，指定控制点选择“photo have positioning metadata”，选择系统默认计算参数后单击“next”进行空中三角计算。空中三角测量是航测建模工作中重要的一环，其利用连续拍摄的像片具有一定的重叠度，以摄影测量方法建立同实地相应的航线模型或区域网模型，从而获取各个关键点的平面坐标和高程，此为模型重建的基础，建议在模型重建前进行2～3轮的空三测量。运行“Context Capture Center Engine”，单击“new construction”，进行建模工作，在建模前可针对项目需求，对相关参数进行设置。因计算机在计算渲染模型时需大量使用运行内存，建议在建立模型前对所拍摄区域进行切块处理，保持所需运行内存占计算机总内存的2/3左右，避免计算机的工作压力及难度过高导致模型无法正常渲染及建立[2]。CC软件建模过程图4所示。

图4 CC软件建模过程

5.场景分析

软件生成的模型如图5所示，施工现场照片如图6所示，软件计算挖填方量如图7所示。

图5 软件生成的模型

图6 施工现场照片

图7 软件计算挖填方量

所获得的模型精度不高，但完全可用于施工前期方案制定参考，通过对模型分析，可获得以下信息。

（1）因山势陡峭且树森较密，人员无法进行探测，通过所建模型能清楚地看到施工场景现场情况。无人机航测建简化大量现场测量工作，对人员无法到达的区域均能通过模型采集数据。（2）实景模型能更高地还原现场实际地形和全局影象，对于潜在的地质风险点、山体裂缝、坡度均可通过模型获得较为准确的参数，能在模型上进行标注及分析，同时可在模型上确定便道路线及便桥位置进行确定。（3）建好的三维模型具备矢量数据特性，方便查询模型中任意点、线、面、体的各类数据，对模型场景可获得山体坡度、距离、以及挖填方量及弃土场容量[3]。（4）实景模型实现电子沙盘功能，能更高地还原现场实际地形和全局影象，便于结合现场地形地貌分析拟实施的工程线路走向，从方案上规避了不良地质灾害点的影响，通过模型获得对于施工便道、便桥、防护网、挖填方量的初步计算，在成本控制方面同样有着较高的参考价值。（5）通过模型可多次叠加、计算实体工程量，有利对工程状况进行跟踪检，通过多次建模进行对比，以分析施工过程中完成情况及进行方案调整，为施工组织提供有效参考。（6）整个无人机拍摄及建模过程，风险低、速度快、成本低廉，所获得的实际效益却十分有效。

6.项目总结

航测技术以及三维建模的运用提供了高效便捷的初级测量，获得的模型可为工程施工便道、便桥、防护网、桩基位置、挖填方量、弃土场选择等进行有效的规划，其作业效率高、操作便捷、成本低廉、数据丰富。目前，低端的三维实景模型在公路施工中仍处在探索阶段，但仍然可以对山区公路工程施工提供高效的应用方案。相信随着现代化技术水平的提高，三维实景建模将会迅速普及，助力公路施工数字化进程。