無人機在長江口整治建筑物維護觀測中的應用

楊俊凱，王長永，顏惠慶，王建雄

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海 200120）

關鍵字：消費級無人機；整治建筑物；維護觀測；精度

引言

長江口深水航道治理三期工程建成后，為實現減淤降費的目標，交通運輸部長江口航道管理局按照“積極穩妥”的原則，研究提出先行將南壩田擋沙堤加高至+3.5 m（上海城建吳淞基面）[1]。先期工程于2018 年8 月通過竣工驗收，建成后較好的發揮了航道整治效果。由于長江口水域自然條件復雜，人為干擾因素多，整治建筑物不可避免的出現了一些局部損壞，為此，長江口航道管理部門需定期對整治建筑物開展維護觀測，指導整治建筑物的維護工作。傳統的整治建筑物觀測方法需要人工乘小船靠泊整治建筑物，登陸后進行人工拍照及GNSS-RTK 走測，作業效率較低，且人員頻繁上下船易出現落水等險情，同時整治建筑物上濕滑，人工走測存在滑倒、摔傷等潛在風險，因此需采用其他更為安全、高效的方法進行長江口整治建筑物維護觀測工作。

近年來，無人機航測技術發展迅速，已成為獲得地理信息的重要手段[2]，無人機具有效率高、成本低、數據豐富等特點，目前已廣泛應用于國土測繪、河道測量[3]、整治建筑物監測[4]等方面。無人機按應用領域可分為專業級和消費級無人機，隨著消費級無人機市場的發展，已逐步在大比例尺測圖[5]、實景三維建模[6]等方面展開應用，消費級無人機相對于專業級測繪無人機，具有成本低、操作簡單、轉場方便等應用優勢。針對傳統整治建筑物維護觀測方法存在著效率較低、危險性較高等缺點，為檢驗消費級無人機在整治建筑物的維護觀測能力，本文以長江口南壩田擋沙堤為例，選用DJI Phantom 4 RTK 消費級無人機制作了長江口整治建筑物的數字產品，為整治建筑物的維護觀測提供了新思路，可科學有效地指導整治建筑物的維護工作。

1 無人機系統及作業流程

DJI Phantom 4 RTK 無人機系統主要由無人機、自穩云臺、高清相機、遙控器等組成，如圖1所示。該機型實現了飛控、相機與 RTK 時鐘的微秒級同步，減少了位置記錄信息與相機拍攝時間誤差延遲，因此拍攝的影像具體更精確的位置信息，從而可以免去傳統航空攝影測量中需要布設一定數量的野外像控點的難點，可有效地簡化作業流程，降低作業成本。試驗區為長江口地區，幾乎無網絡信號覆蓋，無法正常使用網絡RTK，因此本次試驗配置了D-RTK2 基站，如圖2所示。該基站通過手動輸入控制點坐標，可保證無人機的通訊和圖傳系統正常運行。

圖1 無人機系統組成

圖2 D-RTK2 基站架設

DJI Phantom 4 RTK 無人機航測作業流程主要包括相機檢校、現場踏勘、檢查點采集、航線規劃、空中三角解算、數字產品制作等步驟。航測開始之前需對非量測相機進行畸變校正，確定相機的內方位元素和畸變參數，相機檢校精度關系到空三加密質量及最終數字產品質量[7]，常用的方法有兩種，一種是利用外部商業軟件自檢校功能提取相機參數，另一種在室內檢校場進行相機標定。文中采用第一種方法進行相機參數提取。在進行航線規劃之前需進行現場環境踏勘，長江口地區常年5～7 級大風，外業飛行前應充分評估現場環境。飛行時應避免太陽直射，否則圖像容易過曝，產生發白、陰影等問題。

2 應用試驗

長江口南壩田擋沙堤主要為北槽中下段S4～S9丁壩間的南壩田區域。如圖3 所示，該區域的地形復雜，場地狹窄，不同區段具有不同的斷面形式，低潮位時可露出且長有不同程度的苔蘚，地面濕滑，人工登陸行走困難。因此，項目組于2019 年10 月采用免像控消費級無人機對測區開展了航拍試驗，以此檢驗消費級無人機在長江口整治建筑物區的維護觀測效果。

圖3 試驗區位置

2.1 檢查點采集

免像控無人機作業時相機的曝光延遲誤差較小，可獲得高精度的POS 數據，因此在內業數據解算時，可利用POS 數據作為控制點進行空中三角解算，不需要額外布設像控點。為驗證此次消費級無人機在長江口整治建筑物的觀測精度，需布設野外檢查點，因此本次試驗采用紅色油性噴漆在擋沙堤上共均勻布設20 個野外檢查點，檢查點坐標采用實時動態定位技術（RTK）進行采集，要求像控點平面和高程精度均小于±3 cm。

2.2 航線規劃

因測區幾乎無網絡信號覆蓋，在進行航線規劃前先架設D-RTK2 基站，并且采集基站點坐標，輸入到D-RTK2 基站中，采用無人機連接 D-RTK2基站，檢查無人機RTK 信號是否為固定狀態，同時進行指南針校準、SD 卡存儲檢查等工作，在確定無人機無異常后進行航線規劃，無人機飛行航線在GS RTK App 軟件進行規劃，因測區長約25km，且呈條帶狀，且消費級無人機航時較短、通訊距離較短，單架次作業無法完成所有測區航拍，需進行任務分區，因此本次飛行共分為30 架次完成。飛行參數如表1 所示。

表1 飛行參數設置

2.3 影像采集

在設置完航測參數后，按照既定航線放飛無人機，DJI Phantom 4 RTK 標稱最大飛行時間為30分鐘，考慮測區風力較大，無人機電量損耗速率較大，預留5 分鐘做無人機回收過程，飛行任務結束后取出SD 卡，并進行影像數據拷貝及備份。

2.4 內業處理

在拷貝出影像數據后，因DJI Phantom 4 RTK像片中自帶POS 信息，因此可直接導入后處理軟件中進行內業處理，內業處理主要包含以下幾點：

1）影像檢查。檢查航攝像片拍攝質量，查看航片有無缺失、模糊等情況。

2）航攝像片處理。因消費級無人機采用了非量測型普通相機，導致航攝像片幾何畸變，這些幾何畸變嚴重影響了航拍影像的質量，在后期處理中影響空三解算、影像配準等工作，從而會在很大程度上影響到航測成圖的精度。因此根據商業軟件提取的相機檢校參數對原始像片進行質量檢查、預處理、畸變改正等，形成可供空中三角解算的像片文件。

3）空三解算。空三解算是內業處理的核心部分，通過匹配點進行自動空三加密，生成影像點云，建立三維立體模型，進而生成數字表面模型（DSM）及數字正射圖（DOM）等數字產品。

3 精度分析

為檢驗消費級無人機在整治建筑物維護觀測的精度，項目組在測區內布設了20 個野外檢查點，并將其航測值與RTK 實測值進行對比，點位精度用均方根誤差來表示，設第i個檢查點的無人機航測坐標為（Xi,Yi,Zi），由RTK 采集對應點的坐標為則該點的平面誤差值ΔPi及高程誤差值ΔZi分別為:

其中di為平面誤差值ΔPi或高程誤差值ΔZi。

誤差統計結果如表2 所示。

表2 檢查點誤差統計

通過20 組檢查點的航測值與RTK 實測值進行對比，根據統計結果可知消費級無人機航測在平面上最大誤差為0.079 m，中誤差為0.061 m，高程上最大誤差為0.132 m，中誤差為0.108 m。結合文獻[8][9]中分別規定，1:500 平原地區平面和高程中誤差要求分別為：0.3 m、0.2 m。對比結果表明：此次消費級無人機在長江口整治建筑物的測量在平面和高程均能滿足 1:500 數字正射圖和數字高程模型的精度要求。

4 效果分析

無人機具有機動性強、高空視野廣闊等優點，傳統的整治建筑物巡查對部分低潮時露出水面的整治建筑物，主要采取現場踏勘或遠距離拍照的方式進行巡查，傳統整治建筑物巡查方式效率較低，成果形式單一，且不能反映出全部整治建筑物立面信息，而無人機相對于傳統整治建筑物巡查方式，可以獲取整治建筑物立面的影像資料，成果形式豐富。如4 圖所示，通過消費級無人機生產的DOM產品，可以識別出丁壩4 附近拋石發生了明顯的缺失，人為破壞的可能性較大。

圖4 整治建筑物現狀圖

消費級無人機在長江口整治建筑物監測精度評定結果顯示，無人機低空攝影測量技術不具備觀測微觀形變的能力，為檢驗無人機航測技術在較大沉降監測的應用能力，項目組從消費級無人機生產的三維模型中提取了丁壩8 下游150 m 范圍內30個構件中段的堤頂高程，同時將航測高程值與設計標高進行比對，如圖5 所示，對比結果顯示，丁壩8 下游部分構件發生了較大的沉降，且最大沉降量已超過50 cm，因此需航道維護部門進行對沉降較大的構件進行加固維護和定期監測。

圖5 部分構件的沉降情況圖

5 結語

為檢驗消費級無人機在長江口整治建筑物的維護觀測能力，項目組采用DJI Phantom 4 RTK 消費級無人機獲取了長江口整治建筑物的DOM、DEM 產品，并在數字產品的基礎上分析了當前整治建筑物的現狀及部分構件的沉降情況。主要結論如下：

1）無人機低空攝影測量方法相比于傳統整治建筑物維護觀測方法具有成本低、機動性強、視野廣闊、效率高等特性，可獲取到整治建筑物更多的信息量，更容易發現整治建筑物局部損壞情況，可替代傳統整治建筑物的巡查方式。

2）根據無人機航測值與實測值誤差統計結果，此次消費級無人機在長江口整治建筑物的測量在平面和高程精度符合1:500 數字正射圖和數字高程模型的要求，證明利用多消費級無人機在整治建筑物觀測結果是可靠的，同時指出消費級無人機低空攝影測量技術雖然不具備觀測微觀形變的能力，但可以發現整治建筑物較大沉降情況，可作為整治建筑物維護工作的參考。