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電廠進站道路改擴建中無人機的使用

時間:2021-07-31作者:樂志豪 何強 任彪 姜
本文導讀:這是一篇關于電廠進站道路改擴建中無人機的使用的文章,小型無人機航測系統在公路勘察設計中得到越來越廣泛的應用,隨著其成本的下降,較低的投入成本即可自主展開工作,不用再委托專業航測單位,時效性強、自主可控。

  摘    要:  隨著無人機不斷的小型化以及傾斜攝影測量技術的日漸成熟,小型無人機航測系統在公路勘察設計中的應用越來越廣泛。在進站道路改擴建測繪中,目前的工程測量手段仍以常規的測繪方法為主。利用無人機傾斜攝影測量技術對電廠進站道路測繪工作進行了實景三維建模,并檢測了成圖精度,減少了外業工作人員數量,提高了生產效率,實現了精準設計的目的,為進站道路項目測圖提供了新的解決方案。

  關鍵詞 :     無人機;傾斜攝影測量技術;進站道路;改擴建;

  Abstract: With the continuous miniaturization of UAV and the maturity of oblique photogrammetry technique, the application of UAV aerial survey system in highway survey and design is more and more extensive. In the renovation and expansion of inbound road, the current engineering measurement methods are still based on conventional surveying and mapping methods. In this paper, we used the UAV oblique photogrammetry technique to carry out real 3 D modeling of the power plant's inbound road mapping work, and detected the accuracy of the map. This study can reduce the number of field workers, improve production efficiency, realize the purpose of precise design, and provide a new solution for inbound road project mapping.

  Keyword: UAV; oblique photogrammetry technique; inbound road; renovation and expansion;

  道路勘測設計項目的攝影測量手段逐漸從高空到低空,有人到無人,正射到傾斜。小型無人機航測系統在公路勘察設計中得到越來越廣泛的應用,隨著其成本的下降,較低的投入成本即可自主展開工作,不用再委托專業航測單位,時效性強、自主可控[1]。李德仁[2]等通過描述無人機遙感系統在大量相關行業領域的應用與實踐,展望了其應用的廣闊前景?辈煸O計單位已逐漸從單純依靠外業人工單點勘測作業模式轉變為利用無人機傾斜攝影測量技術進行數據采集。相詩堯[3]等對無人機航測技術在公路各設計階段中的應用進行了分析。尹恒[4]等介紹了無人機航測技術在帶狀地形測繪、地災調查、土方量算和征地糾紛等領域的應用情況。史華林[5]、張浩[6]、魏方震[7]、劉藝[8]等在新建道路勘測中對無人機進行了很好的應用。羅博仁[9]、潘成軍[10]等分別在公路改擴建勘測和城市道路現狀地形圖測繪中進行了實踐。周冰[11]等將無人機系統應用于電廠地形圖測量中,并進行了精度分析。然而,利用無人機對電廠進站道路進行測繪的應用卻為數不多。

  目前,電廠進站道路的常規測繪方法難以滿足精細化設計要求,傳統攝影測量技術在公路項目測繪中的應用周期較長、成本較高。電廠進站道路改擴建項目一般規模較小,而小型無人機使用成本低、結構簡單、操作方便、效率較高,非常適合該類項目。電廠進站道路的改擴建設計涉及橋梁、涵洞加固,道路拓寬,線路、房屋遷改等工作,通過實景三維建模對現場的高邊坡、高填挖方路段,重要交叉跨越設計路段,拆遷房屋路段等重點區域進行直觀形象的展示,能保證設計方案的合理性和有效性。本文在公司總承包的貞豐電廠進站道路改擴建測繪中,利用小型無人機傾斜攝影測量技術對進站道路的改擴建進行了實驗,驗證了無人機的靈活性和實效性。該方法有利于提高生產效率,實現了精準設計的目的。
 

電廠進站道路改擴建中無人機的使用
 

  1、 項目實施

  1.1、 工程概況

  項目全長2 km,帶狀寬度約為300 m,測區概況如圖1所示。根據設計要求,需要提供項目測區內1∶500帶狀地形圖(沿黃色中線兩側各150 m范圍)。

  圖1 測區概況圖
圖1 測區概況圖

  1.2、 項目關鍵技術流程

  項目采用大疆精靈4 Phantom 4 Advanced旋翼無人機完成航攝影像數據的獲取。項目作業流程如圖2所示。

  1)航測設計。根據收資和測區現場踏勘掌握的實地情況、成圖要求以及測區地形起伏狀況,避開在建電廠煙囪、電塔以及其他重要影響飛行安全的地物,結合所用旋翼無人機的特點,項目設計了5個正射航攝架次和6個傾斜航攝架次。平均每架次的拍攝區域約為500 m×300 m,每架次航拍按道路走向約重疊100 m,航高設置約為80 m。若測區地形復雜、起伏不均勻,可適當增加傾斜攝影的架次。

  圖2 項目作業流程圖
圖2 項目作業流程圖

  2)像控點布設。根據條帶狀測區特點,為了更好地獲得測區高精度的影像數據,項目沿著已有公路兩側分架次均勻布設像控點,點之間平均間距約為100 m,每架次保證5~6個像控點,每架次航拍重疊區域保證有兩個共同像控點。像控點的坐標系統采用電廠的統一坐標系,利用GPS-RTK測量,測量精度要求為2 cm。航測設計和像控點布設情況如圖3所示。

  圖3 航測設計和像控點布設示意圖
圖3 航測設計和像控點布設示意圖

  3)航線規劃與數據采集。導入測區KML文件,利用飛行控制軟件規劃航線,航向重疊度為80%,旁向重疊度為65%,飛控軟件按預設的航線和拍攝參數控制相機進行拍攝。對于坡度大、地形復雜的區域,為提高相片的重疊率可手動控制飛行遙控器適當加拍相片。項目共獲取正射影像727張、傾斜影像1 147張。

  4)航測內業處理。航測內業處理主要包括刺點、空三加密、圖像匹配、平差和三維產品制作。項目同時導入正射和傾斜攝影多個架次獲得的照片,合并后進行處理。首先通過圖像匹配對連接點進行平差,修正攝像點的相對位置;再進行刺點工作,以確定照片物理要素的精確坐標;最后輸出正射影像圖、數字表面模型和點云數據等三維產品。項目主要采用相關三維建模和立體測圖軟件實現,結果如圖4所示。

  圖4 實景三維模型和正射影像
圖4 實景三維模型和正射影像

  在電廠道路改擴建測繪中,為滿足大件運輸要求,需對沿線交叉跨越路段進行更加精細的設計。實景三維模型具有紋理清晰、直觀形象、精度較高、可量測的優勢,可查看與設計方案密切相關的周邊環境情況,實現更好的匹配和融合。如圖5所示,在電廠主水管道施工區域,水管穿越已有公路,F有道路與重要房屋的位置關系如圖6所示。若采用傳統線劃地形圖,幾乎很難直觀展示房屋材質、樓層、大小等內容;而采用無人機航測技術制作的三維模型能對重要交叉跨越路段、房屋主要區域等重點地段重點關注,有利于最終實現精準設計。

  圖5 實景三維模型截圖(跨越主水管道)
圖5 實景三維模型截圖(跨越主水管道)

  圖6 實景三維模型截圖(道路與房屋關系)
圖6 實景三維模型截圖(道路與房屋關系)

  2 、精度檢查與分析

  2.1、 檢查點位選擇

  對于未被遮擋區域,地物的平面精度評定應選取明顯的易判讀實測的點位,地形點的高程精度評定應盡量選擇已有公路上分布均勻的點位,項目選取了易辨別且分布較均勻的47個地物點和66個地形點;對于被植物和樹木遮擋區域,項目選取已有公路兩側均勻分布的118個點位。全部檢查點分布情況如圖7中白色點所示。項目利用GNSS方法進行地形圖的外業精度檢查,并利用徠卡GS16儀器進行RTK測定檢核。

  圖7 實驗檢查點位選取情況
圖7 實驗檢查點位選取情況

  2.2、 檢查點的精度計算

  在檢測地物平面和地形點的高程精度時,地形點的高程精度評定利用未被遮擋的檢查點共同計算。檢測中誤差的計算公式為:

  結果如表1所示,可以看出,利用未被遮擋檢查點進行檢測的地物點的點位中誤差為0.12 mm,高程檢測點的點位中誤差為0.07 m,均小于GB 50167-2014《工程攝影測量規范》[12]和DL/T 5138-2014《電力工程數字攝影測量規程》[13]中對一般地區規定的平面0.6 mm、高程0.33 hd為0.33 m(hd為地形圖基本等高距)的要求;而被遮擋的檢查點的高程中誤差達到了5 m,不符合規范精度要求。

  表1 地形圖精度統計
表1 地形圖精度統計

  2.3、 檢查點的精度分析

  進一步對遮擋檢查點平面和高程誤差進行統計分析,結果如圖8所示,可以看出,檢查點的平面誤差較小,說明RTK實地校測檢查點坐標平面精度較好,能很好地反映實地高程與模型高程的較差;區域內有樹木遮擋、地表覆蓋有較密集植被的地方,除了零星未被遮擋嚴實漏出地表的模型點外,大部分點位高程誤差精度難以滿足1∶500測圖精度要求。

  圖8 遮擋檢查點平面和高程誤差統計圖
圖8 遮擋檢查點平面和高程誤差統計圖

  3 、結語

  通過項目實踐,本文得到以下結論:

  1)在電廠道路改擴建設計中應用小型無人機傾斜攝影測量技術測圖,可大幅減少外業工作人員數量,提高工作效率和設計時效,有利于實現精準設計。

  2)利用旋翼無人機進行帶狀傾斜攝影時,應注意航測時的架次設計與像控點的布設,保證相鄰飛行區域有共同像控點、合理的影像重疊度(航向/旁向重疊率不低于80%/65%)、少量飛行架次和較低的航高(80 m以下),在無遮擋區域能得到很好的成圖精度。

  3)在植被覆蓋較密集區域以及重要交叉跨越線路區域,則需結合傳統測量手段進行少量補測和補繪作業。

  本文通過在電廠進站道路勘測中進行無人機應用實驗,為類似道路改擴建項目測圖工作提供了新的解決方案。

  參考文獻

  [1]康傳佳小型無人機助力公路工程測量[J]中國公路, 2011(19):120-121
  [2]李德仁,李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J]武漢大學學報(信息科學版),2014,39(5):505-513
  [3]相詩堯,姚守峰,陳婷婷等無人機航測技術在公路各設計階段中的應用研究[J]山西建筑,2019.45(5):106-108
  [4]尹恒裴尼松,余梨無人機技術在復雜公路中的應用研究[J]中外公路,2018,38(2).1-5
  [5]史華林.無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用[J]測繪通報,2014(6):60-62
  [6]張浩,王樹東楊永興等無人機航測技術在高速公路勘測及輔助選線中的應用[J].工程勘察2015, 43(9):90-94
  [7]魏方震武少豐,吉世鵬,等.天寶UX5無人機航測系統在公路勘察設計中的應用[J] .測繪通報2015(3):138-139
  [8]劉藝,季昊楊震,等無人機航測在大比例尺公路帶狀地形圖測量中的試驗及分析[J]測繪通報,2016(增刊2): 105-107
  [9]羅博仁,張霄,明洋車載激光掃描與無人機攝影測量協同的公路改擴建勘察設計方法[J].中外公路,2018,38(3):4-6
  [10]潘成軍.無人機傾斜攝影在道路工程中的應用與分析[J] .測繪工程, 2018,27(12):64-69
  [11]周冰,劉佳瑩,吳峴免外控無人機系統在電廠地形圖測量中的應用及精度分析[J]測繪通報2017(增刊1):188-191
  [12]工程攝影測量規范:GB 50167-2014[S].北京:中國計劃出版社,2014
  [13]電力工程數字攝影測量規程:DLT 5138-2014[S].北京:中國計劃出版社,2014

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