低成本無人機建模在公路施工前期中的應用

羅滔 范宇軒 朱祥慧

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610000）

1.項目概況

寧攀高速公路（沿江高速）從宜賓市沿金沙江而上，經過宜賓新市鎮，進入涼山州雷波、金陽、寧南、會東、會理，最后到達攀枝花市區。路面為雙向四車道，設計速度每小時80km。整個線路全長約478km，其中大部分在涼山境內，是國高網G4216成都至麗江高速公路的重要組成部分。

本項目處四川省西南部，屬云貴高原北部的橫斷山區，位于四川盆地向云貴高原過渡地帶，山脈走向近南北向，基本與金沙江支流平行，嶺谷相間，山高谷深。測區海拔高程一般在600m～1200m。大部分呈陡崖分布，人口稀少，交通不便。沿線不良地質主要有斷層、坍塌、滑坡、錯落、危巖落石、巖堆、泥石流、巖溶等，測匯及施工難度極高。

本文以沿江高速TJ2-TJ3作為案例分析，通過無人機航測建模及模型分析，輔助總規設計及地質安全防控。項目位于寧南縣新家灣和花山村境內，起于新家灣黑水河隧道出口（K268+013），途經長五間、花山村、上花山、至于曾家彎子二臺坡隧道出口（K278+317），全線長10.304km。施工項目航拍如圖1所示，施工線路地圖如圖2所示。

圖1 施工項目航拍圖

圖2 施工線路地圖

2.技術選擇

2.1 航測儀器的選擇

沿江高速設計紅線長、地質風險大、施工環境復雜，為保障航測工作的安全性、精準性、可靠性，通過對無人機市場進行調查，最終選擇了大疆精靈Phantom 4 RTK作為航測無人機，其作為一款小型多旋翼高精度航測無人機，便攜易用，全面提升航測效率。

性能參數：相機型號：FC310R；傳感器尺寸：13.2mm×8.8mm；像幅尺寸：5472×3648；相機焦距：8.8mm；抗風等級：6級。相元大小：2.41μm，13.2mm/5472=2.41228μm；“大疆精靈4-RTK”采用雙冗余度MU和指南針來提升安全性。定位系統采用雙備份GNSS系統，高精度GNSS系統采用了DRTK實時差分定位技術，領先的飛控及厘米級定位系統保證了航線精度和飛行姿態的穩定，減少飛行高度變化對影像間比例尺影響，進行免像控作業精度可達厘米級。

2.2 建模軟件的選擇

在對于無人機測繪數據進行處理時，目前業內使用較廣的一般是Context Capture、PIX 4D等，其高度自動化和智能化給航測模型建模帶來了極高的工作效率。在硬件方面也得到了國內外許多無人機的支持，軟件和硬件的迭代給航測帶來革命性的改變，推動著無人機航測飛速發展。本文暫時只討論Context Capture（下文簡稱CC）作為無人機航測模型處理軟件。

作為一款基于數字影像生成三維模型的軟件，主要是通過對需要處理的圖片進行空中三角測量后使用Engine對數據進行優化計算后再建立三維模型，其需要的素材可以來源于數字相機、手機、無人機載相機。基于CC生成的模型使得用戶能夠通過分析，準確地掌握所需要構建物體和對象的實際情況，進行與之相關的風險管理、安防管理、監測建筑、施工計劃等，從而使得業主和施工單位做出最佳的優化決策，降低了風險，減少了成本[1]。

3.航拍實施

在圖像數據采集及建模中過程中會產生一定的誤差，且因使用低成本無人機精度不高，但這并不影響總體規劃。下面就具體工程項目，通過對方案的應用以及數據處理后的分析對輔助總規設計與地質風險防控的有效性進行闡述。

3.1 航拍方式

飛控軟件參數設置如圖3所示。

圖3 飛控軟件參數設置

（1）本項目因地形及紅線設計等原因，航線規劃為傾斜攝影、正攝攝影共二組，有助于在對施工現場進行更精細的拍攝和建模。（2）飛行高度為200m，采用仿地飛行（地形跟隨）無人機與地面距離始終保持在100m，從而避免在遇見山體斜坡等地形中導致無人機無法把控出現“炸機”或所攝相片精度不夠等狀況。（3）特征區域飛行高度200m，采用傾斜角為45°的傾斜攝影，航向重疊率設置為80%；旁向重疊率設定達到70%。（4）地圖軟件使用奧維互動地圖。（5）航線規劃軟件使用Rockycapture。

3.2 航測作業

在Rockycapture中提前規劃好航線（傾斜柵欄飛行、正攝飛行一組），鏈接至DJI GO 4，使用DJI GO 4啟動無人機，在起飛前拍攝實驗片，檢查ISO感光度、光圈、快門速度等相機參數設置，無問題后起飛進行航拍。起飛時按照Rockycapture中相關提示及按鈕，系統操作無人機飛至航線起點，進行航線拍攝，默認為2s拍攝一張。拍攝完成后將無人機收回，于移動端內檢查照片是否有明顯的問題，無問題后結束拍攝。本次拍攝獲得現場照片共計394張。

4.建模過程

在CC中創建一個新project，在Photos里選擇“Add photos selection”，將無人機所拍攝的照片導入其中，CC確認無誤后單擊“submit aerotriangulation”對素材照片進行空中三角測量，指定控制點選擇“photo have positioning metadata”，選擇系統默認計算參數后單擊“next”進行空中三角計算。空中三角測量是航測建模工作中重要的一環，其利用連續拍攝的像片具有一定的重疊度，以攝影測量方法建立同實地相應的航線模型或區域網模型，從而獲取各個關鍵點的平面坐標和高程，此為模型重建的基礎，建議在模型重建前進行2～3輪的空三測量。運行“Context Capture Center Engine”，單擊“new construction”，進行建模工作，在建模前可針對項目需求，對相關參數進行設置。因計算機在計算渲染模型時需大量使用運行內存，建議在建立模型前對所拍攝區域進行切塊處理，保持所需運行內存占計算機總內存的2/3左右，避免計算機的工作壓力及難度過高導致模型無法正常渲染及建立[2]。CC軟件建模過程圖4所示。

圖4 CC軟件建模過程

5.場景分析

軟件生成的模型如圖5所示，施工現場照片如圖6所示，軟件計算挖填方量如圖7所示。

圖5 軟件生成的模型

圖6 施工現場照片

圖7 軟件計算挖填方量

所獲得的模型精度不高，但完全可用于施工前期方案制定參考，通過對模型分析，可獲得以下信息。

（1）因山勢陡峭且樹森較密，人員無法進行探測，通過所建模型能清楚地看到施工場景現場情況。無人機航測建簡化大量現場測量工作，對人員無法到達的區域均能通過模型采集數據。（2）實景模型能更高地還原現場實際地形和全局影象，對于潛在的地質風險點、山體裂縫、坡度均可通過模型獲得較為準確的參數，能在模型上進行標注及分析，同時可在模型上確定便道路線及便橋位置進行確定。（3）建好的三維模型具備矢量數據特性，方便查詢模型中任意點、線、面、體的各類數據，對模型場景可獲得山體坡度、距離、以及挖填方量及棄土場容量[3]。（4）實景模型實現電子沙盤功能，能更高地還原現場實際地形和全局影象，便于結合現場地形地貌分析擬實施的工程線路走向，從方案上規避了不良地質災害點的影響，通過模型獲得對于施工便道、便橋、防護網、挖填方量的初步計算，在成本控制方面同樣有著較高的參考價值。（5）通過模型可多次疊加、計算實體工程量，有利對工程狀況進行跟蹤檢，通過多次建模進行對比，以分析施工過程中完成情況及進行方案調整，為施工組織提供有效參考。（6）整個無人機拍攝及建模過程，風險低、速度快、成本低廉，所獲得的實際效益卻十分有效。

6.項目總結

航測技術以及三維建模的運用提供了高效便捷的初級測量，獲得的模型可為工程施工便道、便橋、防護網、樁基位置、挖填方量、棄土場選擇等進行有效的規劃，其作業效率高、操作便捷、成本低廉、數據豐富。目前，低端的三維實景模型在公路施工中仍處在探索階段，但仍然可以對山區公路工程施工提供高效的應用方案。相信隨著現代化技術水平的提高，三維實景建模將會迅速普及，助力公路施工數字化進程。