小型多旋翼無(wú)人機(jī)在覆土水工建筑物上部景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 樂(lè)

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

1 小型多旋翼無(wú)人機(jī)概述

小型多旋翼無(wú)人機(jī)也稱為多軸飛行器，是直升機(jī)的一種，通常有3個(gè)以上的旋翼，飛行器的機(jī)動(dòng)性通過(guò)改變不同旋翼的扭力和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的單水平旋翼直升機(jī)，它構(gòu)造精簡(jiǎn)，易于維護(hù)，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性高且攜帶方便。常見(jiàn)的多旋翼飛行器，如：四旋翼，六旋翼和八旋翼，被廣泛用于影視航拍、安全監(jiān)控、農(nóng)業(yè)植保、電力巡線等領(lǐng)域。小型多旋翼無(wú)人機(jī)主要由機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)和槳葉組成，為了滿足實(shí)際飛行需要，一般還需配備電池、遙控器及飛行輔助控制系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)航攝可產(chǎn)生的產(chǎn)品主要分為航攝影像、360全景影像、以及三維實(shí)景模型三類。航空攝影測(cè)量即在無(wú)人機(jī)上用航攝相機(jī)對(duì)地面連續(xù)攝取具有一定重疊度的照片。飛機(jī)上搭載的相機(jī)具有固定焦距、傳感器尺寸等參數(shù)，能在生成高清像素地面實(shí)景照片的同時(shí)，將拍攝照片時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)一并保存，還能通過(guò)軟件生成360度全景高清影像；三維實(shí)景模型是通過(guò)一組對(duì)靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，導(dǎo)入專業(yè)軟件，生成三維實(shí)景地模，實(shí)景模型生成后還可通過(guò)專業(yè)軟件輸出其他多種格式的文件，滿足使用者不同的需求。

2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于安徽省渦陽(yáng)縣紫光大道與西環(huán)路交匯處西南角街角口袋空地，設(shè)計(jì)紅線長(zhǎng)140.2m，寬48.57m，總面積6800.15m2。場(chǎng)地緊鄰城市主干道，周邊為老城住宅區(qū)，市民較為集中，老人、兒童居多，設(shè)計(jì)需考慮路口集散、兒童游樂(lè)及健身休閑的需求。場(chǎng)地內(nèi)覆土水工建筑物2處，占據(jù)大部分場(chǎng)地，其中調(diào)蓄池尺寸長(zhǎng)80.8m，寬37.6m，位于地下1.5m；進(jìn)水泵站尺寸長(zhǎng)20.3m，寬9.6m，位于地下1m。此外還零散布置檢查井、閥門(mén)井、通風(fēng)井、配電箱等高出地面的永久配套建筑物15處。場(chǎng)地特殊的現(xiàn)狀條件對(duì)景觀方案影響很大。

3 項(xiàng)目難點(diǎn)

相較于其他市政景觀項(xiàng)目，本項(xiàng)目存在以下難點(diǎn)。首先是覆土水工建筑物及突出地面的永久配套設(shè)施對(duì)場(chǎng)地方案設(shè)計(jì)的干擾很大。節(jié)點(diǎn)廣場(chǎng)、園路需要對(duì)高出地面的閥門(mén)井、檢查井、通風(fēng)井及配電箱等永久配套設(shè)施進(jìn)行避讓，還需留足充足的綠地空間防止游人靠近，造成危險(xiǎn)；其次是對(duì)植物樹(shù)種選擇的影響，依據(jù)《公園設(shè)計(jì)規(guī)范GB51192-2016》，調(diào)蓄池及取水泵站埋深小于1.5m，不滿足喬木種植所需土壤深度，僅能種植灌木及地被植物。綜上所述，該項(xiàng)目場(chǎng)地對(duì)測(cè)量的位置精度要求較高，需要精確確定各個(gè)水工建筑物在平面上的位置，避免對(duì)后續(xù)工作造成影響。

4 項(xiàng)目應(yīng)用

由于該項(xiàng)目面積不大，無(wú)人機(jī)航測(cè)僅需操作人員1人即可，首先是外業(yè)前期準(zhǔn)備工作，根據(jù)飛行器和相機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合項(xiàng)目的區(qū)域參數(shù)，優(yōu)化飛機(jī)的航高、航速，制作控制點(diǎn)，確定飛控方式，根據(jù)照片拍攝重疊度要求確定航線，獲取航攝照片。具體步驟包括。(1)飛行方案的確定；平行航線飛行、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)飛行、繞建筑物飛等；(2)根據(jù)分辨率要求確定航高；(3)根據(jù)范圍任務(wù)規(guī)劃飛行區(qū)域、初擬航次起降點(diǎn)；(4)根據(jù)飛行時(shí)間確定電池用量，再根據(jù)電池電量、充電時(shí)長(zhǎng)確定總體作業(yè)任務(wù)時(shí)間。

通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶的傾斜攝影系統(tǒng)，在較短時(shí)間內(nèi)完成場(chǎng)地地形地貌信息數(shù)據(jù)的采集，再將所有帶有信息的照片導(dǎo)入ContextCapture軟件，編輯控制點(diǎn)、進(jìn)行空間三角重建后生成三維實(shí)景模型，為場(chǎng)地測(cè)量的準(zhǔn)確性提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三維實(shí)景地模生成后便能利用ContextCapture軟件將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為DEM高程數(shù)據(jù)文件，再將其導(dǎo)入ArcGIS，對(duì)現(xiàn)狀場(chǎng)地進(jìn)行地形、坡度、朝向、匯水等分析，識(shí)別場(chǎng)地特征，為設(shè)計(jì)方案論證提供邊界約束條件，保證工程與水工建筑物及外圍區(qū)域有效銜接，減少對(duì)現(xiàn)狀周邊環(huán)境的影響。

最后在ArcGIS軟件中輸出DXF格式文件，通過(guò)CAD軟件打開(kāi)后能在圖紙上顯示出地面水工建筑物的位置，后續(xù)方案設(shè)計(jì)工作便能在此基礎(chǔ)上迅速開(kāi)展。

5 小型多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

5.1 優(yōu)勢(shì)

首先，小型多旋翼無(wú)人機(jī)尺寸小，便攜性強(qiáng)，能夠節(jié)省大量人力物力成本，根據(jù)項(xiàng)目體量，一般僅1～2人操作無(wú)人機(jī)即可；其次是易操作，無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)操作人員專業(yè)測(cè)繪知識(shí)要求不高，僅需了解無(wú)人機(jī)操作、無(wú)人機(jī)主要參數(shù)和性能指標(biāo)及無(wú)人機(jī)航攝相關(guān)知識(shí)即可；第三，無(wú)人機(jī)掛載的攝像系統(tǒng)配置很高，以本次所使用大疆精靈4Pro為例，其配備了1英寸2000萬(wàn)像素影像傳感器，可拍攝4k/60fps幀率視頻，專為航拍設(shè)計(jì)的等效24mm，f/2.8廣角鏡頭由7組8片全玻璃鏡片組成，具備出色的圖像解析力；且無(wú)人機(jī)配備的實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)能將圖傳距離達(dá)到8km，不需人員跟隨無(wú)人機(jī)移動(dòng)，只需原地待在無(wú)人機(jī)起航點(diǎn)即可。

外業(yè)航飛工作完成后，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析僅需通過(guò)ContextCapture軟件便能完成，效率很高。基于無(wú)人機(jī)航拍的這組項(xiàng)目區(qū)實(shí)景照片通過(guò)軟件自動(dòng)提取生成為數(shù)字化地形模型，三維實(shí)景模型能夠提供準(zhǔn)確的地形地貌及場(chǎng)地內(nèi)建筑物位置信息，為設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工程總體布置的有效控制。對(duì)于其他項(xiàng)目，如需有土方平衡需求或填挖方計(jì)算，還能利用三維實(shí)景模型準(zhǔn)確確定豎向設(shè)計(jì)和自動(dòng)準(zhǔn)確計(jì)算工程量，這直接影響設(shè)計(jì)成果，對(duì)控制工程造價(jià)也起到關(guān)鍵作用。

后續(xù)方案平面設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)方案建模也可與三維實(shí)景地模進(jìn)行耦合，對(duì)方案能夠直觀控制；除此之外，利用三維實(shí)景模型進(jìn)行一系列分析，圖面表達(dá)更加新穎直觀，增加方案匯報(bào)時(shí)的效果。在后續(xù)階段三維實(shí)景模型還能指導(dǎo)施工控制，

5.2 劣勢(shì)

小型多旋翼無(wú)人機(jī)所拍攝為正攝影像，視角單一，三維實(shí)景模型也是根據(jù)實(shí)景照片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此，它對(duì)場(chǎng)地現(xiàn)狀也有一定要求，場(chǎng)地內(nèi)如有現(xiàn)狀喬木、建筑物，影像只能拍攝到頂部，因此在三維實(shí)景圖像處理時(shí)便會(huì)產(chǎn)生破面，影像最終的三維實(shí)景模型效果。由于該項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)航飛時(shí)屬于水工建筑物已開(kāi)始施工階段，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)已進(jìn)行場(chǎng)地平整，因此航飛影像質(zhì)量并未受到較大影響。

除此之外，小型多旋翼無(wú)人機(jī)所攝實(shí)景照片并不帶有坐標(biāo)位置信息，因此還需要業(yè)主方提供道路路網(wǎng)CAD，并進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)，一定程度上增加了工作的繁雜性。

6 總 結(jié)

小型多旋翼無(wú)人機(jī)在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠極大縮短設(shè)計(jì)前期查勘工作時(shí)間，也不需派駐多人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，設(shè)計(jì)人員通過(guò)航飛回來(lái)的高精度實(shí)景照片便能隨時(shí)查看場(chǎng)地地貌，使他們能夠有更多的時(shí)間構(gòu)思方案，提高設(shè)計(jì)效率；但現(xiàn)階段自身局限性導(dǎo)致其使用的局限性，對(duì)于山地植被茂密或構(gòu)筑物密集等現(xiàn)狀較為復(fù)雜的區(qū)域，其拍攝的影像數(shù)據(jù)未能達(dá)到項(xiàng)目所需精度，這便還需要專業(yè)測(cè)繪人員利用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)繪完成之后的數(shù)據(jù)。但總體而言，小型多旋翼無(wú)人機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)能夠滿足中小型項(xiàng)目的需求，這也是它在景觀設(shè)計(jì)中能夠得到越來(lái)越廣泛使用的原因，它使景觀方案布置設(shè)計(jì)能相互協(xié)調(diào)、效果比選更方便快捷，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度和效果的可控性得以顯著提高，極大地提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。