無人機三角法測量技術在航道施工監管中的快速判定應用研究

◎ 林迪 廣西壯族自治區梧州航道養護中心

1.引言

無人機在航道管理中的應用日趨成熟，工業級無人機可提供定制級的解決方案，搭載不同的任務平臺進行航道巡查、航空測繪[1]等工作，但受價格成本制約難以推廣使用。普通的消費級無人機因便攜性佳和性價比高等優點，如今在航道管理工作中應用更為普遍，但其用途一般只限于短距離巡航、航拍取證等方面。在航道工程施工監管中，經過實踐應用分析，利用無人機操作系統中的“與返航點距離”功能，通過使用三角法[2]設定參考點，設計飛行路線，可實現施工船舶作業位置與作業區邊界的距離測算，快速判定其是否在規定的施工區域內作業，高效地進行施工監管。

2.無人機三角法測量技術簡介

三角法測量技術是利用無人機系統中的“與返航點距離”功能和地圖模式界面的飛行軌跡線，飛抵測量目標點位，使用相機俯拍模式輔助定點懸停，通過設計無人機的飛行路線，以其為基礎組成直角三角形并獲取特定目標點位的與返航點距離數據，經過公式計算，實現任意兩點間的直線距離測算。

以大疆御pro鉑金版機型為例，當GPS信號強度和定位衛星數量足夠時，水平懸停精度可達到+/-0.3米，該機型用于三角法測量的相關配置參數見表1。

表1 大疆御Pro鉑金版部分參數配置表

飛行控制系統APP為DJI GO 4，控制界面地圖模式如圖1所示，使用三角法測量兩點距離，例如圖1上的A、C兩點，在確定返航點H后，設計飛行路線H→C→A→B，利用飛行路線軌跡組成直角三角形，獲取返航點H與測點C、A和垂足B的距離數據。

圖1 DJI GO 4系統控制界面（地圖模式）及三角法測量圖示

兩個測量對象點A、C間的直線距離定義為L，其中A為與返航點H的近端點，C 為與返航點H的遠端點。返航點H與三個特定點位C、A、B的距離數據，分別定義為Lc、La、Lb，當垂足B在AC直線連線的延長線上，根據勾股定理推導出計算公式為：

當垂足B在AC直線連線上，則計算公式為：

3.無人機三角法測量技術在航道施工監管中的應用

某疏浚施工廢碴處理工程需要在一段岸線對開水域的卸區內臨時堆放的超量拋卸物進行清理作業，施工方案要求作業船舶不能跨越卸區邊界施工。

3.1 確定參考線

根據設計圖所示（圖2），卸區為一個不規則的區域，卸區外側邊線與各段壩田內的岸線基本平行，長度為927米，其端點X到岸線、航道左邊線的最短距離分別為167米、117米，端點Y到岸線、航道左邊線的最短距離分別為262米、159米。

圖2 某疏浚施工廢碴處理工程卸區圖

在這個應用案例中，卸區有上游、下游和外邊線（X Y）這三條邊界，且施工區域也不僅限于在丁壩的壩田內，情況較為復雜，上游和下游的邊界可以在岸上找到參照物判斷，但對施工船舶是否超出外邊線難以界定。經現場勘查，施工區域所處河道的岸線較順直，與卸區的內邊線WZ基本重合，可以在這段岸線或其延長線上找到適合無人機起降的場地，最后確定在卸區上游與這段岸線處于同一直線上的一個加油站內，于其邊緣處空地上選擇一點作為返航點，以岸線WZ及延長線作為直角邊參考線（見圖3），卸區最大寬度YZ=262米為上限，使用三角法測算出施工船舶到岸線參考線的距離，當這一數值大于262米時，即可判定施工船舶超出了卸區外邊線XY。

圖3 卸區參考線衛星圖

3.2 應用實測

在某天對該工程的施工監管中，無人機三角法對施工船舶位置快速判定的實測過程如下：

（1）無人機起飛后，飛抵卸區下游外邊線丁壩靠岸線的端點Z定點懸停，調整航向角指向返航點H然后徑直返回，在地圖中飛出直線航跡作為岸線參考線（圖4）。

圖4 參考線航跡及施工船A定點

（2）飛抵施工船A的正上方定點懸停，記錄H點與該點的距離數據。

（3）調整航向角指向岸線，飛抵岸線找到施工船A到岸線參考線的垂足B1，進行直角校正，測出B1到H點的距離數據635米。

（4）按照上述方法，完成對施工船C、D、E的與返航點距離及到參考線垂足的距離數據測算。

綜合數據如圖5所示。

圖5 三角法測算施工船到岸線距離示意圖

（5）根據公式計算出施工船A、C、D、E到岸線參考線的距離分別為AB1=254.2米、CB2=229.4米、DB3=332.8米、EB4=282.2米，比對卸區邊線數據，結合現場航拍照片（圖6），可判定施工船舶A、C在卸區范圍內作業，施工船D、E到岸線距離大于卸區端點Y到岸線丁壩端點Z的距離262米，超出了卸區范圍。

圖6 三角法測算施工船現場航拍

3.3 與傳統測量方法對比

在上述施工監管應用案例中，若使用傳統方法測量河道中施工船舶到岸線的距離，只能靠測量人員使用GPS測量儀、全站儀、測距儀等儀器，且必須登上船舶或抵達船舶到岸線的垂直連線點方可進行測量，測量耗時長效率低，對交通工具和測量點位置要求高，若施工船舶的作業位置變化了還需要重新布點測量，無法快速準確地判定施工船舶與施工作業區邊界的距離，也無法及時發現違法違規行為并固定證據。

經過施工監管應用實測分析，無人機三角法測量技術可應對多種情形的距離測量工作，即使面對情況復雜的案例，通過選擇適當的參考線和設計合理的飛行路線也能進行有效監管，其優點在于操作步驟簡單易懂，測量耗時少效率高，且基本不受地形、通視等因素的影響，目前市價千元級別的消費級無人機都帶有可用于三角法測量的功能，性價比極高。不過，其局限性是容易受到天氣因素影響，在大風和下雨等天氣情況下不能使用。

4.結語

本文通過對無人機三角法測量技術開展深入研究，在航道施工監管中進行應用探索與實踐分析，驗證了該方法在航道施工監管中快速判定的有效性和可操作性，為航道管理探索出高效和高性價比的應用方法。