無人機攝影測量在防波堤塊體驗收中的應用

徐 杰，聶洪斌

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

關鍵字：無人機攝影測量；防波堤；塊體驗收；Drone Deploy航拍軟件；圖像處理；三維建模

0 引言

近年來，隨著海洋工程建設的不斷發展，防波堤建設里程不斷向海洋延伸，距離陸域越來越遠，為了更好發揮防波堤的防浪、消浪效果，對防波堤護面塊體的安裝質量要求較高，根據在設計、物模試驗、施工中積累的安放經驗，定點隨機安裝是最能充分發揮扭王字塊優異水動力性能的安放方法［1］。為了保證防波堤施工的質量和安全，施工和驗收方法也不斷尋求新技術的突破，利用無人機攝影測量技術，通過航拍獲取防波堤護面塊體安裝后圖像，經過影像處理獲得防波堤整體三維影像圖，在三維圖上實現扭王字塊定點姿態、安放密度和塊體間隙的檢查驗收，能夠直觀地檢驗扭王字塊的安放效果，避免了人員攀爬防波堤扭王字塊驗收的安全隱患和局限性，實現防波堤防護塊體的快速驗收，為類似工程施工驗收提供參考。

1 概況

1.1 工程概況

某港口城項目施工分為水工結構和陸域吹填，其中水工結構是吹填造地的保護結構，包括主防波堤、內防波堤、潛堤、攔沙堤、游艇碼頭護岸、內護岸、外護岸等。主防波堤總長3 245 m，扭王塊安裝數量達2.5萬件，安裝質量直接影響防波堤結構的整體安全，防波堤航拍全景如圖1 所示。隨著海外項目的日益增多，海外項目施工大多采用歐美規范標準，通過無人機攝影測量，有利于防波堤扭王塊施工的安裝、調整與驗收，滿足整體要求和規范標準。

圖1 防波堤航拍全景Fig.1 Aerial Panorama of Breakwater

1.2 施工驗收難點分析

防波堤扭王塊施工驗收中存在難點，海側涌浪較大，且會涌浪過堤，防波堤堤頂塊石容易被沖刷，人員和儀器設備攀爬扭王塊存在安全風險；扭王塊隨機定點安放，從單一方向不易判斷塊體間是否有空隙和塊體間姿態是否滿足安裝要求；利用傳統測量儀器也不易找到塊體安放中心位置；通過人員現場驗收安全隱患大，驗收盲區多，驗收效率低等。防波堤扭王塊斷面如圖2所示。

1.3 無人機攝影測量在施工中的優勢

圖2 防波堤扭王塊斷面Fig.2 Cross Section of Breakwater Chinese-pod

無人機攝影測量是遙感領域用于測繪生產的高新技術，在使用過程中測量精度高，人力及資金投入少，采集數據量大，作業效率高，適合大區域作業，使用操作靈活，對作業環境要求低［2］，針對在本工程防波堤扭王塊施工的應用優勢還有：設備體積比較小，結構簡單，作業人員無需攀爬防波堤，使用遙控器即可進行操作控制，設計飛行區域和航線，可以實現自主飛行拍攝，整體工作流程自動化水平高、安全方便，操作人員經過短期培訓就能上手［3］；空中遙控拍攝，無需接觸防波堤扭王塊，避免人員攀爬塊體發生安全事故。

本工程最初利用RTK-GPS 采集測量50 m 區域范圍內的扭王塊位置數據約需要2～3 d，采集時間長，滯后于扭王塊安放施工進度，無法及時檢查已安裝扭王塊的位置、密度和姿態信息，從而影響扭王塊施工驗收流程。而無人機攝影測量快速、精準、高效地采集扭王塊安裝后的數據信息，1～2人就能開展工作，降低人力成本，減少驗收時間，提高施工效率。

2 無人機攝影測量

2.1 無人機介紹

本項目使用以大疆MAVIC PRO 旋翼無人機（性能參數［4］見表1）為載體，結合Drone Deploy 航拍處理軟件，探討無人機攝影測量在防波堤扭王塊施工中的應用。

2.2 無人機攝影測量系統的組成

無人機攝影測量系統由無人機攝影測量的軟件、硬件2 部分組成。硬件系統包括無人機、機載系統和監控系統。其軟件系統主要包括航線設計、飛行控制、遠程監控系統、航空攝影檢查以及像片拼接合成處理等五部分［5］，本項目主要使用Drone Deploy 航拍處理軟件。

表1 大疆御無人機參數Tab.1 DJI Mavic Drone Parameters

2.2.1 無人機攝影測量平臺

無人機攝影平臺是利用無人機裝載攝影相機，利用GPS（全球定位系統）進行導航的航空攝影平臺，其優勢在于快速、精準、高效地獲取地理信息數據。

2.2.2 飛行控制軟件

無人機飛行控制的核心就是飛行控制軟件，通過信號傳輸控制無人機的飛行路線、高度、姿態、數據采集等工作，實時掌握控制飛行平臺的工作狀態，實現信息采集任務。

2.2.3 地面遙控系統

全向天線、監控軟件、電源系統和便攜式控制器構成了地面遙控系統，各組成部分緊密結合相互關聯，作業人員操作地面遙控軟件，對飛行數據進行設定，包括導航模式的選擇、相機曝光、基本飛行參數的設置、航線規劃和航點輸入；還有影像數據的輸出和上傳，以及突發條件下的報警設置等。操作中機載航拍系統和數據鏈開展鏈接，飛行過程中實際信息和數據實時傳遞，操作更加方便。

3 無人機攝影測量流程

3.1 現場布設像控點

像控點是像片坐標系與地面坐標系連接的紐帶，是為轉換像片點與地面點位置信息而在實地布設并測定三維坐標的控制點。在使用無人機航拍前，需預先布設像片控制點標志，控制點標志尺寸需達到地面分辨率的5～10 倍，并均勻分布在測量區域，像控點與地面點坐標轉換和地面模型的重建至少需要3個像片控制點［6］。

根據施工現場安裝與驗收的范圍，為了保證航片處理要求，沿堤身軸線方向間隔50 m布設1個像控點，布設的標志清晰且點位朝上，且沒有被其他塊體遮擋易于拍攝，像控點布設位置及標志示意如圖3所示。

3.2 無人機航拍數據采集

航拍前，檢查無人機機身電池和控制器電池電量，開啟Drone Deploy航拍軟件，通過拉伸收縮多邊形路線飛行邊框規劃飛行計劃，調整航拍范圍覆蓋目標防波堤（范圍越大，航拍時間越長，須考慮無人機的續航能力），調整飛行路線密度、航拍高度、鏡頭角度、像片方向重疊度、飛行航速等設置［7］，待無人機連接完畢后，起飛航拍。圖4 是航拍軟件規劃飛行路線，以及各參數設置示意。

3.3 軟件處理無人機航拍像片

圖3 像控點布設位置及標志Fig.3 Layout Position and Sign of Ground Control Points

圖4 航拍軟件規劃飛行路線以及參數設置Fig.4 Flight Route Planning and Parameter Setting of Photographing Software

圖5 上傳像片Fig.5 Upload Images

航拍完成后，取出無人機機身內存卡，導出像片，按圖5 示意上傳本次航拍的像片，因需要生成三維立體模型，所以選擇“Structures”結構物選項，點擊“Upload Imag?es”上傳，上傳速度視照片數量、大小和網速而定。

經過Drone Deploy云計算處理獲得出航拍區域的數字影像圖、數字高程圖、正射影像圖等，利用空中三角測量生成的三維點云構建三維模型，并將從多視影像中提取的結構物紋理映射到相應的模型［8］（見圖6）。

4 像片成果應用與分析

4.1 分析像片坐標精度

在軟件合成的三維模型中可找到布設在扭王字塊上的標志點，使用軟件中的“Location”功能，可點出標記點的坐標高程信息，如圖7所示。

圖6 處理后的數字模型Fig.6 Processed Digital Model

圖7 數字模型中像控點及坐標Fig.7 Ground Control Points and Coordinates in Digital Model

根據統計特性，布設控制點以及檢查點［9］。選擇其中3 個檢查點A-64、A-65 和A-66 作為對比，通過坐標系轉換計算得出項目施工坐標，通過對比分析誤差大小，如表2所示。

表2 坐標對比Tab.2 Coordinates Difference

由表2 中可看出2 個方向的坐標差值均不超過0.25 m，誤差在可控范圍內，可用于分析防波堤扭王塊施工驗收的各項要求指標。

4.2 分析扭王塊驗收中無人機測量的成果

適用港口城項目防波堤扭王塊施工的技術標準、規范及驗收相關技術標準如下所示：

⑴扭王塊需咬合良好，保證墊層塊石不從扭王塊縫隙內被淘刷出去；

⑵安裝區域不出現大的孔隙，相鄰扭王塊間安裝后的姿態應不一致；

⑶扭王塊需三點著地，鼻部避免垂直于斜坡面的安裝情況；

⑷斜坡上扭王塊安裝密度為95%～105%之間；頂部水平段扭王塊安裝密度不小于100%；

根據扭王塊布點規則，100 m2范圍內17 t 規格扭王塊設計安裝數量為17 塊，從圖8 抽選范圍約106 m2計數，實際共有17塊扭王塊，滿足施工與驗收標準。

圖8 扭王塊密度Fig.8 Installation Density of Chinese-pod

在軟件中可使用量尺工具，檢查量測數字模型中塊體間的實際尺寸與間距，17 t扭王塊高度以及扭王塊間距的驗收技術要求為：同排扭王塊中心間距1.212h（h為扭王塊高度），扭王塊高h=2.82 m，間距≤3.4 m［10］。

選取范圍內其中1 塊扭王塊，量出該塊體尺寸為2.79 m，精度滿足要求，扭王塊尺寸測量詳見圖9。

圖9 扭王塊尺寸測量Fig.9 Chinese-pod Dimension Measurement

隨機抽選范圍內的每2個扭王塊重心點之間的間距均小于3.4 m，可以分析出各扭王塊安裝間距符合驗收技術要求，扭王塊間距測量詳見圖10。

圖10 扭王塊間距測量Fig.10 Chinese-pod Spacing Measurement

通過Drone Deploy 航拍處理軟件點云生成的防波堤扭王塊三維立體模型，可以更加直觀地檢查扭王塊三維姿態以及塊體表觀的情況。扭王塊塊體與塊體之間的縫隙，也能通過三維立體模型直觀地檢查出來。

從所選區域中可看出，扭王塊表觀咬合良好，安裝區域并無出現較大的孔隙，相鄰扭王塊間安裝后的姿態不一致，扭王塊三點著地，并未出現鼻部垂直于斜坡面的安裝情況，如圖11所示。

圖11 防波堤扭王塊三維立體模型Fig.11 Three Dimensional Model of Breakwater Chinese-pod

5 結論

防波堤扭王塊外形輪廓清晰，安裝堆放相對集中利于航拍識別；圖像經過航拍軟件處理后，在處理后的三維圖像中，檢查標志點坐標與實測坐標均不超過25 cm，滿足扭王字塊驗收誤差要求；在三維圖像中標記扭王塊重心點，量測間距可檢查是否超過驗收標準要求；通過計數可計算驗收區域的安裝密度；利用三維圖像不僅能檢查塊體安裝的整體效果，而且能夠量化檢驗塊體安裝質量，并提高了塊體的施工驗收效率；能夠滿足一定的測量精度，特別適合離岸式水工結構日常施工監控和無接觸驗收檢測。