無人機在法國水利工程中應用的最新進展

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近年來，無人機技術日趨成熟、可靠度高，足以用來執行測量任務。在此背景下，特克貝爾(Tractebel)工程公司決定投入自己的設備，并在公司內部開展必要的無人機技能培訓。

特克貝爾工程公司是蘇伊士環能集團下屬的國際工程咨詢公司，擁有兩架多旋翼無人機設備，且均配備有合適的相機，并安裝了任務規劃軟件和后期處理軟件。該公司所使用的無人機是由3DRobotics 無人機公司生產的四旋翼Iris+無人機，可攜帶RX100相機自主飛行約12 min。一個航次的最大覆蓋距離約為4 km。

無人機的操作規則因國而異，例如法國和大多數歐盟國家為無人機的操作制定了詳細規則，而其他國家禁止使用無人機，或沒有為其制定操作規則。研究人員必須花時間了解這些操作規則，并獲得無人機操作必要的許可證。

到目前為止，特克貝爾無人機團隊已進行了8次現場無人機任務，共開展3種類型的任務，主要在非洲進行。結果表明，這項技術未來的發展潛力巨大，成果喜人，并指出在不久的將來，無人機技術將會得到更大程度地發展。

1 提供航拍圖片和視頻

通常，水電項目是國家規劃類項目，惠及全國。這些航拍圖片和視頻有助于項目業主有效溝通、傳達項目信息，如項目施工、執行和調試等信息。

一般來說，施工的建筑工地較大，無法從地面上進行綜合勘測，因此需要從遠程視角獲取單張圖片或視頻，將項目的狀態可視化。無人機拍攝的航拍圖片或視頻可提供這種視角，并能對項目狀態作出有效總結，以便清晰了解項目的相關狀況。

圖1展示的是一張攝自喀麥隆隆潘卡爾(Lom Pangar)水電站大壩的航拍照片，其壩長約1 km。

圖1 隆潘卡爾水電站大壩壩址航空影像

從實用性角度看，這些影像是通過無人機相機拍攝，其無人機操控手能夠選擇攝像機的位置和方向，以捕捉最佳的拍攝角度。相比之下，航拍視頻則可通過已預設在飛行器電腦上的航線拍攝獲得，以確保攝像機拍攝的穩定性和方向感。任務規劃軟件可使無人機自動行駛至特定的幾個航標，并將攝像機對準已選定的目標物。

2 獲取項目區域的可視化評估

在水電項目的初始設計階段，項目組可能會在現場考察期間面臨諸多挑戰，包括：① 懸崖或非常陡峭的斜坡； ②幾乎無法穿越的河流或非常湍急的河流； ③場地植被非常茂密；④項目區域內道路不暢。

該研究中的項目區域所涉面積較大，可能包括水庫、采石場和采泥區，這就進一步加大了現場的考察難度。同樣地，該項目的各個部分可能位于一條很長的河段上(例如遠程發電廠的大壩)。因此，在項目發展初期，設計團隊需要確定最佳的項目布局，且須為項目的不同組成部分選好合適的地址。

從圖2可以看出一個新建項目考察期間遇到的若干困難，如穿越河流或沿河流河岸前行，從圖中可查看項目的整個地勢及布局。

圖2 位于湍急河流上的新建項目

圖3 新建項目地點的瀑布景象

無人機有助于項目團隊更好地對峽谷(河岸、河床等的幾何形態和坡度)進行評估。圖3顯示了該項目區域擁有天然瀑布這一特點。如果沒有無人機協助，將無法深入了解該區域的地形情況。

當涉及到人身安全時，使用無人機完成這類任務能有效降低安全風險，同時還可幫助項目組更細致地了解整個項目區域的概況。

除此之外，這些照片還可為地質學家提供非常有用的信息，使其能夠解釋項目區域內普通斷層模式，如圖4所示。

圖4 某項目地點的地質斷裂模式航拍圖片

運用無人機技術，可加深了解項目地點的狀況，減少現場勘察耗時，提升服務質量，保證人員安全。此外，無人機所拍攝的圖片和視頻還可在辦公室回放，有助于項目團隊進一步加深對項目地點情況的直觀印象。當項目開發初期的目標是確定特定區域的最優項目規劃時，無人機航拍圖片和視頻會起到非常重要的作用。

3 地形測量

3.1 獲取項目開發初期的地形數據

通常在開展項目可行性研究時，可用的地形數據包括比例為1∶25 000或1∶50 000的地圖，格式為硬拷貝件或PDF格式。此類地圖具有兩大缺陷： ①準確度較低、數據為非數字格式； ②無法在CAD或GIS軟件中使用。

采用地面測量或激光雷達測量等傳統方法，可生成更為精確的地形數據，但耗時長，需要幾個月才能使相關數據達到所需的精度并滿足所需細節。

項目團隊的首要目標是確定如何對項目區域進行快速調查，運用無人機技術，可生成比現有的地形圖更為準確的地形數據，使其快速可靠地進行項目篩選。

3.2 提供可靠的地形數據

特克貝爾工程公司已使用無人機借助攝影測量法獲取地形數據。

攝影測量法是一種測量技術，其使用不同位置拍攝的兩張或多張圖片構成某個物體的3D坐標，如圖5所示。其工作原理與人類眼睛和大腦的視覺原理一樣：若僅使用一只眼睛，人類只能看到2D信息，使用一雙眼睛才能看到3D信息。

圖5 兩幅立體影像的例子

攝影測量法特別適合測量土地裸露且植被率較低地方的地形數據。當該地區植被較為茂盛時，該法只能計算樹冠的高程而非地面的高程，這就會導致生成的數據模型是數字高程模型(DEM)而非數字地形模型(DTM)。特克貝爾公司使用無人機勘測的區域面積較大，每日工作量約250 hm2，相當于飛行10航次/d，每航次10 min。

此類測量的創新點不在于攝影測量過程(其已有50多年的歷史了)，而是利用無人機來獲取航拍照片的方法。與飛機或直升機獲取空中立體照片的傳統方法相比，無人機的測量速度更快、價格更實惠。

使用無人機開展測量工作的第一步就是要確定目標區域。然后，在這片區域上選取地面控制點(GCP)，一般是在地面上畫白色十字來表示控制點，再由地形測量人員測量其平面和高度。這些GCP點可作為地形模型的地理參考物(詳見第 3.3節)。

做好地面測量準備工作后，就可使用任務規劃軟件提前規劃無人機的飛行任務。根據攝影測量法的原理，立體照片要覆蓋整個目標區域，其縱向重疊達到約60%，側面重疊達到約30%。通常圖片大小為100 m×80 m。對于飛行計劃，一般做法是在地面上畫條紋線，如圖6所示。各條紋之間的距離取決于飛行高度以及焦距、分辨率等相機參數。圖6展現了一次典型的飛行計劃。一旦飛行計劃得以確認，無人機就可開始執行任務，且其飛行控制器可觸發相機自動工作。

圖6 地形測量的飛行計劃

獲取航拍圖片后，使用攝影測量軟件對其進行后處理，以便得到正射校正圖像、數字高程模型(DEM)以及地形圖。圖7(a)顯示出1張DEM圖片，圖7(b)則為相應的正射影像。

圖7 土石壩施工現場的DEM和正射影像

3.3 后處理

借助數字攝影測量技術，運用攝影測量處理軟件使3D模型的建立、尺寸確定和可視化成為可能。后處理的步驟如下：

(1) 航拍圖片校準。根據地面控制點(GCP)的位置，可生成基于地理參考的密集云點。

(2) 3D建模。可從密集云點中得到一個不規則三角網模型(TIN)，還可得到一個正射影像，用以覆蓋整個模型(詳見圖8)。

圖8 3D建模

(3) 輸出數字高程模型(DEM)和高分辨率正射影像，同時DEM生成的等高線可在地理信息系統(GIS)中使用。

3.4 測量精度

使用無人機生成的地形數據后，需要確認地形模型的精度。

為評估模型精度，特克貝爾工程公司對面積約為5 km2的區域進行了2次地形測量，并計算其精度。原理是在地面上獲得30個GCP點：其中10個用作模型的地理參考，另外20個用于評估模型精度。使用地面測量法以及無人機攝影測量法分別測量這20個GCP點。將這兩種方法計算得出的坐標(X,Y,Z)之間的差異值代入模型評估其精度，認為地面測量法的測量精度非常高。

測量GCP的平均誤差，并評估模型的精度后，得出地形平面的平均誤差約為15 cm，高程的平均誤差小于25 cm。對于初期研究而言，這樣的精度可以滿足相關要求。

3.5 與其他地形測量法對比

在地形測量中使用以下幾種方法：①使用雙GPS或全站儀的地面測量法；②使用飛機或直升機進行的激光雷達測量法或攝像測量法；③使用無人機進行的攝影測量法。各自的優缺點可概括如下。

(1) 地面測量法： ①精度較高(在平面和高度上的誤差約為1 cm)； ②能夠快速組織測量且較為常用； ③缺點是所測量的區域面積很小(通常為1～5 km2)，尤其是在森林茂密的地區或雨季多泥、易滑等較危險地區；④一般都能正常測量，但天氣狀況(風、雨)會影響測量過程，降低測量進度，測量成本很大程度上取決于所測量的區域大小以及所測量區域的地形情況。

(2) 攝影測量法或激光雷達測量法： ①當土壤未有植被覆蓋時，激光雷達測量法的精度非常高(平面和高度的精度一般為5 cm)，攝影測量法的精度較高(平面和高度的精度約為15cm)； ②所測量的區域可延伸，達到100 km2/d；③ 缺點是對天氣的依賴較高，只有天氣晴朗時才能測量，若天空有云，飛機一般需飛過云頭，飛行高度約為海拔1 km；④準備時間較長，因為需要飛機準備到位，還需獲得預定航線的飛行許可；⑤在飛機起飛之前通常需要2～3個月的準備時間；⑥該方法成本較高，需考慮飛機飛行和準備成本，但對于面積較大的區域則較為有利。

(3) 基于無人機的攝影測量法： ①在土壤無植被覆蓋且飛行高度為100 m(飛得越低，測量越準確，但所測面積就越小)的情況下，精度較為合理(平面及高度的精度約為15 cm)； ②能夠快速組織測量，與飛機相比，無人機能更快獲得相關授權；③通常需要2～3周采集相關數據； ④無人機測量可覆蓋的面積約為10 km2，其面積介于地面測量和飛機測量之間；⑤缺點是當風速超過40 km/h，天氣對無人機飛行有一定影響；⑥無人機在下雨、有霧或夜間時無法起飛。

圖9展示了每種地形測量方法優缺點。

圖9 地形測量方式的圖解分析

4 結 語

引入無人機1 a多后，特克貝爾工程公司認為，所獲得的成果大多具有推動作用和啟示意義。采用無人機這種全新的方法確定水電項目的狀況，可明顯改進項目進度安排、服務質量，并降低成本和提升安全系數。這項技術的應用使得項目團隊能夠快速收集大量高質量數據(包括航拍圖片和地形圖)，有助于其在新建項目的全方位調查中做出抉擇。

無人機也可應用于施工階段和定量追蹤(地形工具)方面，以便更好地了解項目的基本狀況。此外，施工地址拍攝的無人機照片能夠記錄施工進度以及承包商在施工現場安排的設備、卡車等，因此無人機還可在索賠管理過程中發揮作用。