楊俊凱，王長(zhǎng)永，顏惠慶，王建雄

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120）

關(guān)鍵字：消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)；整治建筑物；維護(hù)觀測(cè)；精度

引言

長(zhǎng)江口深水航道治理三期工程建成后，為實(shí)現(xiàn)減淤降費(fèi)的目標(biāo)，交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局按照“積極穩(wěn)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(guò)竣工驗(yàn)收，建成后較好的發(fā)揮了航道整治效果。由于長(zhǎng)江口水域自然條件復(fù)雜，人為干擾因素多，整治建筑物不可避免的出現(xiàn)了一些局部損壞，為此，長(zhǎng)江口航道管理部門需定期對(duì)整治建筑物開展維護(hù)觀測(cè)，指導(dǎo)整治建筑物的維護(hù)工作。傳統(tǒng)的整治建筑物觀測(cè)方法需要人工乘小船靠泊整治建筑物，登陸后進(jìn)行人工拍照及GNSS-RTK 走測(cè)，作業(yè)效率較低，且人員頻繁上下船易出現(xiàn)落水等險(xiǎn)情，同時(shí)整治建筑物上濕滑，人工走測(cè)存在滑倒、摔傷等潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此需采用其他更為安全、高效的方法進(jìn)行長(zhǎng)江口整治建筑物維護(hù)觀測(cè)工作。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，已成為獲得地理信息的重要手段[2]，無(wú)人機(jī)具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)豐富等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)土測(cè)繪、河道測(cè)量[3]、整治建筑物監(jiān)測(cè)[4]等方面。無(wú)人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域可分為專業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，隨著消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，已逐步在大比例尺測(cè)圖[5]、實(shí)景三維建模[6]等方面展開應(yīng)用，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)相對(duì)于專業(yè)級(jí)測(cè)繪無(wú)人機(jī)，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)場(chǎng)方便等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。針對(duì)傳統(tǒng)整治建筑物維護(hù)觀測(cè)方法存在著效率較低、危險(xiǎn)性較高等缺點(diǎn)，為檢驗(yàn)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在整治建筑物的維護(hù)觀測(cè)能力，本文以長(zhǎng)江口南壩田擋沙堤為例，選用DJI Phantom 4 RTK 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)制作了長(zhǎng)江口整治建筑物的數(shù)字產(chǎn)品，為整治建筑物的維護(hù)觀測(cè)提供了新思路，可科學(xué)有效地指導(dǎo)整治建筑物的維護(hù)工作。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及作業(yè)流程

DJI Phantom 4 RTK 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)、自穩(wěn)云臺(tái)、高清相機(jī)、遙控器等組成，如圖1所示。該機(jī)型實(shí)現(xiàn)了飛控、相機(jī)與 RTK 時(shí)鐘的微秒級(jí)同步，減少了位置記錄信息與相機(jī)拍攝時(shí)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(tǒng)航空攝影測(cè)量中需要布設(shè)一定數(shù)量的野外像控點(diǎn)的難點(diǎn)，可有效地簡(jiǎn)化作業(yè)流程，降低作業(yè)成本。試驗(yàn)區(qū)為長(zhǎng)江口地區(qū)，幾乎無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，無(wú)法正常使用網(wǎng)絡(luò)RTK，因此本次試驗(yàn)配置了D-RTK2 基站，如圖2所示。該基站通過(guò)手動(dòng)輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)，可保證無(wú)人機(jī)的通訊和圖傳系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

圖2 D-RTK2 基站架設(shè)

DJI Phantom 4 RTK 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程主要包括相機(jī)檢校、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、檢查點(diǎn)采集、航線規(guī)劃、空中三角解算、數(shù)字產(chǎn)品制作等步驟。航測(cè)開始之前需對(duì)非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行畸變校正，確定相機(jī)的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)，相機(jī)檢校精度關(guān)系到空三加密質(zhì)量及最終數(shù)字產(chǎn)品質(zhì)量[7]，常用的方法有兩種，一種是利用外部商業(yè)軟件自檢校功能提取相機(jī)參數(shù)，另一種在室內(nèi)檢校場(chǎng)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。文中采用第一種方法進(jìn)行相機(jī)參數(shù)提取。在進(jìn)行航線規(guī)劃之前需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境踏勘，長(zhǎng)江口地區(qū)常年5～7 級(jí)大風(fēng)，外業(yè)飛行前應(yīng)充分評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。飛行時(shí)應(yīng)避免太陽(yáng)直射，否則圖像容易過(guò)曝，產(chǎn)生發(fā)白、陰影等問(wèn)題。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

長(zhǎng)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(qū)域。如圖3 所示，該區(qū)域的地形復(fù)雜，場(chǎng)地狹窄，不同區(qū)段具有不同的斷面形式，低潮位時(shí)可露出且長(zhǎng)有不同程度的苔蘚，地面濕滑，人工登陸行走困難。因此，項(xiàng)目組于2019 年10 月采用免像控消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)開展了航拍試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江口整治建筑物區(qū)的維護(hù)觀測(cè)效果。

圖3 試驗(yàn)區(qū)位置

2.1 檢查點(diǎn)采集

免像控?zé)o人機(jī)作業(yè)時(shí)相機(jī)的曝光延遲誤差較小，可獲得高精度的POS 數(shù)據(jù)，因此在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算時(shí)，可利用POS 數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角解算，不需要額外布設(shè)像控點(diǎn)。為驗(yàn)證此次消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江口整治建筑物的觀測(cè)精度，需布設(shè)野外檢查點(diǎn)，因此本次試驗(yàn)采用紅色油性噴漆在擋沙堤上共均勻布設(shè)20 個(gè)野外檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)坐標(biāo)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK）進(jìn)行采集，要求像控點(diǎn)平面和高程精度均小于±3 cm。

2.2 航線規(guī)劃

因測(cè)區(qū)幾乎無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，在進(jìn)行航線規(guī)劃前先架設(shè)D-RTK2 基站，并且采集基站點(diǎn)坐標(biāo)，輸入到D-RTK2 基站中，采用無(wú)人機(jī)連接 D-RTK2基站，檢查無(wú)人機(jī)RTK 信號(hào)是否為固定狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行指南針校準(zhǔn)、SD 卡存儲(chǔ)檢查等工作，在確定無(wú)人機(jī)無(wú)異常后進(jìn)行航線規(guī)劃，無(wú)人機(jī)飛行航線在GS RTK App 軟件進(jìn)行規(guī)劃，因測(cè)區(qū)長(zhǎng)約25km，且呈條帶狀，且消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)航時(shí)較短、通訊距離較短，單架次作業(yè)無(wú)法完成所有測(cè)區(qū)航拍，需進(jìn)行任務(wù)分區(qū)，因此本次飛行共分為30 架次完成。飛行參數(shù)如表1 所示。

表1 飛行參數(shù)設(shè)置

2.3 影像采集

在設(shè)置完航測(cè)參數(shù)后，按照既定航線放飛無(wú)人機(jī)，DJI Phantom 4 RTK 標(biāo)稱最大飛行時(shí)間為30分鐘，考慮測(cè)區(qū)風(fēng)力較大，無(wú)人機(jī)電量損耗速率較大，預(yù)留5 分鐘做無(wú)人機(jī)回收過(guò)程，飛行任務(wù)結(jié)束后取出SD 卡，并進(jìn)行影像數(shù)據(jù)拷貝及備份。

2.4 內(nèi)業(yè)處理

在拷貝出影像數(shù)據(jù)后，因DJI Phantom 4 RTK像片中自帶POS 信息，因此可直接導(dǎo)入后處理軟件中進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，內(nèi)業(yè)處理主要包含以下幾點(diǎn)：

1）影像檢查。檢查航攝像片拍攝質(zhì)量，查看航片有無(wú)缺失、模糊等情況。

2）航攝像片處理。因消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)采用了非量測(cè)型普通相機(jī)，導(dǎo)致航攝像片幾何畸變，這些幾何畸變嚴(yán)重影響了航拍影像的質(zhì)量，在后期處理中影響空三解算、影像配準(zhǔn)等工作，從而會(huì)在很大程度上影響到航測(cè)成圖的精度。因此根據(jù)商業(yè)軟件提取的相機(jī)檢校參數(shù)對(duì)原始像片進(jìn)行質(zhì)量檢查、預(yù)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?？杖馑闶莾?nèi)業(yè)處理的核心部分，通過(guò)匹配點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)空三加密，生成影像點(diǎn)云，建立三維立體模型，進(jìn)而生成數(shù)字表面模型（DSM）及數(shù)字正射圖（DOM）等數(shù)字產(chǎn)品。

3 精度分析

為檢驗(yàn)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在整治建筑物維護(hù)觀測(cè)的精度，項(xiàng)目組在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)了20 個(gè)野外檢查點(diǎn)，并將其航測(cè)值與RTK 實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，點(diǎn)位精度用均方根誤差來(lái)表示，設(shè)第i個(gè)檢查點(diǎn)的無(wú)人機(jī)航測(cè)坐標(biāo)為（Xi,Yi,Zi），由RTK 采集對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為則該點(diǎn)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(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)

通過(guò)20 組檢查點(diǎn)的航測(cè)值與RTK 實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)航測(cè)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(jié)合文獻(xiàn)[8][9]中分別規(guī)定，1:500 平原地區(qū)平面和高程中誤差要求分別為：0.3 m、0.2 m。對(duì)比結(jié)果表明：此次消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江口整治建筑物的測(cè)量在平面和高程均能滿足 1:500 數(shù)字正射圖和數(shù)字高程模型的精度要求。

4 效果分析

無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高空視野廣闊等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的整治建筑物巡查對(duì)部分低潮時(shí)露出水面的整治建筑物，主要采取現(xiàn)場(chǎng)踏勘或遠(yuǎn)距離拍照的方式進(jìn)行巡查，傳統(tǒng)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(wú)人機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)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(guò)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)生產(chǎn)的DOM產(chǎn)品，可以識(shí)別出丁壩4 附近拋石發(fā)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(xiàn)狀圖

消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江口整治建筑物監(jiān)測(cè)精度評(píng)定結(jié)果顯示，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)不具備觀測(cè)微觀形變的能力，為檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在較大沉降監(jiān)測(cè)的應(yīng)用能力，項(xiàng)目組從消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)生產(chǎn)的三維模型中提取了丁壩8 下游150 m 范圍內(nèi)30個(gè)構(gòu)件中段的堤頂高程，同時(shí)將航測(cè)高程值與設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行比對(duì)，如圖5 所示，對(duì)比結(jié)果顯示，丁壩8 下游部分構(gòu)件發(fā)生了較大的沉降，且最大沉降量已超過(guò)50 cm，因此需航道維護(hù)部門進(jìn)行對(duì)沉降較大的構(gòu)件進(jìn)行加固維護(hù)和定期監(jiān)測(cè)。

圖5 部分構(gòu)件的沉降情況圖

5 結(jié)語(yǔ)

為檢驗(yàn)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江口整治建筑物的維護(hù)觀測(cè)能力，項(xiàng)目組采用DJI Phantom 4 RTK 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)獲取了長(zhǎng)江口整治建筑物的DOM、DEM 產(chǎn)品，并在數(shù)字產(chǎn)品的基礎(chǔ)上分析了當(dāng)前整治建筑物的現(xiàn)狀及部分構(gòu)件的沉降情況。主要結(jié)論如下：

1）無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量方法相比于傳統(tǒng)整治建筑物維護(hù)觀測(cè)方法具有成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、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(fā)現(xiàn)整治建筑物局部損壞情況，可替代傳統(tǒng)整治建筑物的巡查方式。

2）根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，此次消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江口整治建筑物的測(cè)量在平面和高程精度符合1:500 數(shù)字正射圖和數(shù)字高程模型的要求，證明利用多消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在整治建筑物觀測(cè)結(jié)果是可靠的，同時(shí)指出消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)雖然不具備觀測(cè)微觀形變的能力，但可以發(fā)現(xiàn)整治建筑物較大沉降情況，可作為整治建筑物維護(hù)工作的參考。