無人機和Arcgis在線性工程水土保持設施驗收中的應用

莫學海

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

對于線路長、區域廣、工點分散的線性工程，水土保持設施驗收工作量大，傳統的現場勘查和內業整理方法會耗費較多的人力物力，且工作效率、數據精度無法保證。隨著現代科學技術的不斷進步，應用于水土保持工作中的高新設備和技術日益成熟，尤其是在衛星遙感、無人機技術等方面的應用取得了快速發展。無人機技術具有低空高分辨率、航拍和測圖效率高、外業成本低、快速、方便的特點。但由于無人機技術在水土保持設施驗收工作中的應用屬新生事物，尚未形成統一、有效的方法與標準，加上水土保持相關技術人員基本無測量技術背景，對于低空攝影數字影像圖的后期處理，需克服專業壁壘及技術短板的影響等因素。

1 工程概況

梧柳高速主線全長214.352 km，主線采用雙向四車道高速公路標準，其中梧州至象州段設計速度為100 km/h，路基寬26 m，象州至柳州段設計速度為120 km/h，路基寬28 m；象州、平南東連接線采用二級公路標準，設計速度80 km/h，路基寬15 m；江口、運江、東華連接線采用二級公路標準，設計速度60 km/h，路基寬10 m；白沙、國安至垌心連接線采用二級公路標準，設計速度40 km/h，路基寬8.5 m；大瑤山旅游區連接線采用三級公路標準，設計速度30 km/h，路基寬7.5 m。主線、連接線全部為新建項目。全線共設置橋梁217座，總長45 859.91 m；共設置涵洞通道1156道，總長42 681 m。全線共設置隧道16座，總長15 265.5 m。項目建設內容包括：路基、互通（14 處）、橋梁（217 座、涵洞1156 道）、隧道（16座）、沿線設施（主要包括服務區6處、隧道管理站3處、無人通信站14處、養護工區5處、匝道收費站10處）。項目建設過程中設置棄渣場189 處，取土場38處，施工生產生活區49處，施工便道147.82 km。

2 水土保持設施驗收重點內容

梧柳高速水土保持設施驗收自查初驗的重點工作主要為復核項目水土保持方案確定的水土流失防治目標，全面核驗水土保持設施數量和投資，檢查各項水土保持措施配置的合理性及設施質量，評價施工中的水土流失控制效果以及水土保持設施試運營情況和效果，核查水土保持設施后續管理責任落實情況，明確驗收前需要解決的遺留問題，提出自查初驗核查的結論和建議。

梧柳高速水土保持設施驗收外業核查采用無人機進行全面航飛，檢查水土保持措施實施范圍、面積，檢查有無新設取土場、棄渣場，檢查有無較大的水土流失危害等。對于線路較長、棄渣場多且分散的線性工程，水土流失重點防治區域為棄渣場區，因此水土保持設施驗收的重點查驗內容為棄渣場防治責任范圍、面積，以及水土保持設施數量，主要為棄渣場周邊截排水溝、坡腳擋渣墻、棄渣頂面和坡面綠化措施等。

3 硬件及軟件支持

3.1 硬件配備

梧柳高速水土保持設施驗收現場核驗采用的無人機為消費型四旋翼無人機，型號為Phantom4 Pro（大疆精靈4 Pro），由飛行器、遙控器、云臺相機以及配套使用的DJI GO 4 App組成。

機身配備先進的視覺定位及障礙物感知系統，能夠實現指點飛行與智能跟隨等功能，并可自動返航以及在室內穩定懸停、飛行；配備全新24 mm 低畸變廣角相機、高精度防抖云臺以及1 英寸CMOS圖像傳感器，可錄制最高規格為4K 每秒60 幀的超高清視頻，能拍攝2000萬像素JPEG以及無損RAW格式的照片；配備高能量密度智能飛行電池相高效率的動力系統，最大水平飛行速度為20 m/s，最大飛行時間約為30 min。遙控器內置全新一代雙頻高清圖傳地面端，與飛行器機身內置的天空端配合，信號傳輸距離最遠可達7 km。

3.2 軟件支持

梧柳高速水土保持設施驗收選用的矢量圖形處理軟件為地理信息系統軟件Arcgis10.5。Arcgis是美國環境系統研究所在全面整合了GIS 與數據庫、軟件工程、人工智能、網絡技術及其他多方面的計算機主流技術之后推出的一個統一的地理信息平臺，它是一個工具箱的地理信息系統軟件，是我國GIS領域常用的商業軟件。

Arcgis桌面產品是一系列整合的應用程序的總稱，其包含諸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox 及ArcGlobe 等在內的用戶界面組件。其中ArcMap 是Arcgis 桌面產品中的一個主要應用程序，它具有基于地圖的所有功能，包括制圖、地圖分析和編輯等。ArcMap可以用來瀏覽、編輯地圖圖形及基于地圖圖形的分析。

4 無人機和Arcgis在線性工程水土保持設施驗收中的應用

4.1 無人機數據獲取、Arcgis圖形處理及建模

梧柳高速建設過程中共設置棄渣場189 處，多設置在路線兩側的山坳、坡地或凹地。由于水土保持設施驗收工作常在主體工程及水土保持設施接近完工時開展，若以常規方法驅車前往每個棄渣場進行核驗，需通過高速公路匝口及通往棄渣場的棄渣道路才能到達，將消耗大量的人力物力。若采用無人機技術進行航拍核驗獲取圖像，并在內業整理時采用Arcgis 軟件進行數據分析，會減少人力物力損耗，也會大大縮短現場勘查的時間。

以下以棄渣場為例，對梧柳高速水土保持設施驗收中采用的無人機航飛技術和Arcgis地理信息處理技術進行歸納總結。

4.11 長度及面積量測

利用無人機對單個棄渣場進行低空正射影像拍攝，用Pix4Dmapper 軟件將原始影像碎片進行拼接，可獲得完整的棄渣場正射影像（見圖1、圖2）。

圖1 棄渣場低空正射影像碎片

圖2 拼接后單個棄渣場完整正射影像

拼接后的單個棄渣場正射影像為具有相應坐標系的矢量圖形，將其導入Arcgis 軟件的桌面應用程序ArcMap 中，勾繪棄渣場外圍線或擋渣墻、截排水溝中線，便可進行長度和面積屬性提取（見圖3）。

圖3 基于Arcgis進行圖形屬性提取

4.1.2 堆渣量量測

Arcgis提供的表面分析工具可進行較復雜的表面分析，如創建等高線工具和體積工具可計算某個棄渣場底面以上的體積，從而估算棄渣場堆渣量。

圖4 圖像拼接—獲取數字高程模型（DEM）數據

在對棄渣場的無人機正射影像進行拼接完畢后，可建立圖像模型，使用三維分析模塊的“表面體積”工具，可以計算相對于某個參考平面的二維面積、表面面積及體積（見圖4～圖6）。

圖5 等高線數據獲取

圖6 基于Arcgis堆渣量計算

4.2 規劃航線實現數字影像數據的獲得

常規手動拍攝數字影像數據有其便利性及易上手等特點，但在地面參照物不明顯或飛行線路較長、較復雜時，操作者很難判斷飛行路線，導致無法判斷飛行器所在位置。而此時規劃航線拍攝就以其準確性及自動化等特點，在線性工程航拍中得到更廣泛的應用。具體實現過程主要包括：將擬飛行區域范圍圖轉換為kml 文件，將kml 格式的擬飛行區域范圍圖導入飛行控制平臺Altizure，參照導入的擬飛行區域范圍圖利用Altizure 進行航線規劃，根據設定任務自動完成飛行拍攝。

5 結語

在梧柳高速水土保持設施驗收過程中，為了解決項目涉及范圍廣、線路長，棄渣場數量多、分布散，以及核驗工程量大等問題，我們在外業勘查時利用無人機獲取關鍵圖形數據，并在內業整理時利用Arcgis 軟件提供的地理信息處理功能，建立圖像空間模型，快速獲取關鍵信息，實現了無人機技術與Arcgis 地理信息技術的結合，提高了線性工程水土保持設施驗收的工作效率和核驗精度，可為其他類似工程提供借鑒。