无人机航测技术在三维施工布置中的应用研究.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：第一作者简介：杨玉川（），男，河南开封人，博士，工程师，从事水利水电工程施工、岩土工程、无人机综合应用工作。无人机航测技术在三维施工布置中的应用研究杨玉川，何兴勇，陈世全，王小波（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ；四川大学，四川 成都 ）摘要：精灵系列无人机 在某水库扩建项目的前期规划设计、平面施工布置、三维施工布置及后期效果展示等方面均能发挥较大作用。运用 、和 等全景图生成软件，结合文字标注可以生成全景三维施工布置图；结合倾斜摄影成果和奥维地图软件，不仅可以生成实景三维模型和实景施工布置图，还可以结合 设计软件，生成真实的三维施工总布置图，便于工程展示及设计利用。结合不同阶段的项目需求，无人机航测成果的合理利用将大大提高施工布置的设计效率。关键词：无人机；航拍摄影；三维全景图；实景三维模型；设计；三维施工布置中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）前言无人机航测技术是近年来国内外高速发展的一项技术，通过无人机飞行平台搭载多类型传感器相机对地面进行航摄，通过对获取的航摄成果进行处理可以获取多种类型的地面三维数据 。该技术具有适用地形广、快速高效且成本低廉等优点，在城市规划、市政工程、建筑工程、水利工程等领域得到了广泛应用 。水利工程项目的规划、建设和运营随着数字中国理念的逐渐落实，急需从传统的二维建造技术向三维建造技术过渡，推动项目建设过程中三维技术的拓展应用 。采用传统的方法对某些项目区域建模精度低，无法直观反映真实地形，导致施工设计决策困难。等 基于无人机高分辨率图像分析了在长时间段内的滑坡变化动态，并且分析了测量过程中的误差范围；李玉成与邹晓列 通过对实际无人机影像数据的精度对比分析，证实了无人机低空摄影测量能够满足绘制 地形图的精度要求。本文利用无人机航测技术在某水库扩建项目中的全阶段应用，系统解决了传统方法在施工布置中的难题，借助全景图、正摄影图及三维实景模型等众多无人机航测成果，形成了全景总布置图、实景总布置图和三维施工总布置图等，全过程指导了该项目的设计和建设施工，提高了施工效率，创造了良好的经济效益。工程项目概况 工程等别本水库扩建工程总库容 万，主要为附近城区供水，由于供水对象比较重要，设计供水流量为 ，年供水量为 万，灌溉面积约 万；根据 防洪标准和 水利水电工程等级划分及洪水标准 的有关规定，该水库扩建工程规模为中型，确定枢纽工程为等中型工程，主坝和副坝等主要建筑物级别为 级，次要建筑物级别为 级，临时建筑物级别为 级。工程布置本水库扩建枢纽工程主要由主坝、副坝、上坝公路及管理房组成。（）主坝工程。主坝由挡水坝段、溢流坝段和右岸取水建筑物组成。主坝坝型为重力坝，轴线长 ，主坝在原大坝基础上扩建，拆除 号坝段，采用 埋石混凝土重建；号、号、号坝段为挡水坝段，在原大坝基础上采用 混凝土直接加高培厚；号、号坝段为溢流坝段，闸墩全部拆除重建，改造为弧形工作闸门，保留大部分堰体，在原来基础上进行抬高外包加固处理；号坝段废置并保留于岸坡内。项目扩建前如图 所示。（）副坝工程。副坝布置在主坝左岸，共 座，均为碾压均质坝，坝轴线起于主坝左岸。号副坝轴线长 ，最大坝高 ；号副坝轴线长 ，最大坝高 。图 水库扩建前的全景（）上坝公路和管理房工程。上坝公路布置在右岸，与复建 省道相接，长 ；水库管理房位于右岸，为已建成五层砌体结构，建筑面积为 。本次扩建仅进行必要的外墙粉刷，门窗更新等。工程特点和难点本水库扩建工程主要包括主坝和副坝两大部分，由于作业面相对较多，设计和施工建造过程时间较短，需要快速完成设计工作，采用传统的测量或设计方法难以满足项目业主方的要求。因此，需要借助无人机航测技术快速获取三维地形、实景模型、全景图等成果辅助进行设计和施工建造过程。无人机航测技术本文以无人机航测、图像处理软件及奥维地图软件为主要技术手段，分析如何利用无人机获取航拍图像来解决工程问题。无人机设备目前，国内外有各种用途的无人机，续航时间从几分钟到几小时不等 ，本文航测成果均来自大疆精灵系列无人机 。该无人机采用地面工作站即可实现各种无人机对指定区域的航摄，此无人机的主要技术指标见表 。表 关键指标起降方式最大速度（）续航时间 最高海拔 垂直起降 约 控制距离 相机像素云台范围照片分辨率 万 三维全景图制作水利工程地形一般较为复杂，面积范围大且分布广，采用传统方法往往难以快速、直观、准确地获得地形地貌信息。如需快速获取某区域的三维地形地貌信息，采用小型无人机获取全景图是比较好的方法 。全景图是指通过无人机航拍 视角的照片，并借助软件进行后期图片拼接，配合使用专门的浏览器，从而实现将平面图片变成 全景模型。把二维平面图模拟成真实的三维空间，具有分辨率高、场景大、视角范围广且真实的特点，操作流程如图 所示。图 无人机全景图制作流程对于制作全景图的航拍图像是以无人机航拍的同一视点的照片素材为基础，属于共心图像，即多幅图像同用一个摄影中心。采用基于图像特征点的拼接方法，不仅计算量低，而且配准精度高，经常可以用于工程项目的前期规划设计、三维实景总布置和后期效果展示等。三维实景模型制作借助于精灵 小型无人机通过地面工作站规划航线，可以对目标地形区域获取满足重叠率要求的航摄照片。之后通过其他技术处理成需要的正摄影图、数字地表模型和三维实景模型 等。本文选择采用 （）实景建模软件进行空三结算和实景模型构建，具体流程如图 所示。图 航测成果的实景三维建模流程由图 可知，利用无人机航拍图像保证一定的重叠率后，即可通过 软件处理生成满足分辨率要求的 、和三维实景模型，从而应用于平面实景和三维实景施工布置图的设计。应用技术路线针对本工程作业面多、施工区域大、工期时间短的特点，在该项目开始前期即引入无人机航测技术辅助规划设计、施工建造及效果展示等。利用无人机航测技术获取不同时间点、不同点位的全景图和实景三维模型，可以对场地快速进行施工布置、土石方计算、三维效果展示。另外，结合在处理生成的三维地形中融合 设计技术，可将三维地貌、道路、施工设施和建筑物等信息全部融入至三维模型中，从而构建逼真的三维立体模型，便于设计和施工利用，应用的具体技术路线如图 所示。图 航测技术应用的主要技术路线 无人机航测技术在施工布置中的应用 全景施工布置图利用无人机航测技术，借助于 （一键全景）控制软件，可以对目标区域自动生成需要的航摄照片，之后利用 和 直接生成逼近真实三维效果的全景图。本水库扩建项目在不同时间段生成的三维实景图，可以有效展示当前的施工形象面貌，而且利用施工前的实景图进行文字标注可以快速展示设计意图，便于成果汇报及效果展示。在工程建设前期，可以利用三维全景图快速进行设计方案的展示，标注不同部位的工程名称及设计相关形状，便于前期规划设计。工程建设期间，建立全景图，便于设计、施工和业主三方的现场管理，更加直观有效地了解各部位的建设进度与情况，并根据需要形成不同时间段的全景施工布置图。平面实景施工布置图在工程项目中往往需要设计施工布置图，传统的做法是基于等高线地形图进行设计，这种设计方法的表现力不强，图纸跟现场有时难以直观对应。实际工程中经常采用的方法是将卫星地图作为底图，将设计的图放置于卫星地图上，而目前公开的卫星地图分辨率一般不高，对局部区域细节研究往往难以根据实景底图调整方案，因此急需提高底图分辨率。在本项目中，借助于小型无人机航测技术，利用地面工作站对目标区域进行航测，并使用 软件生成分辨率极高的正摄影图 ，从而以其作为底图，生成满足工程分辨率要求的平面实景施工布置图。提高施工布置图的底图分辨率，不仅可以辅助设计调整方案，还可以提高施工布置图的展示效果与精度，并将其直接用于施工现场的指导，便于人员理解空间位置关系。三维施工总布置图随着数字中国建设的逐渐深入，工程项目对设计的要求越来越高，很多时候需要提供针对施工总（下转第 页）（）充分发挥运维团队专业优势，以结果为导向提前进入项目现场加强施工过程控制，大大缩短了消缺和调试时间，确保项目一次性达标排放。（）在项目履约冲刺阶段，“穿透式”管控模式破解了现场建设项目部层级低、资源协调难度大的问题，充分发挥了公司总部部门和现场项目建设部门各自优势，及时高效推进项目建设工作。参考文献：姜韶阳，张成波，刘巧林 国际项目管理中的项目控制措施及方法探讨 四川水力发电，（增 ）：，姜韶阳 浅谈水电设计院的 工程总承包项目分包合同管理 项目管理技术，（）：杨发峻，张成波，周全胜，等 南亚最大的污水处理厂项目建设管理创新 中国电力企业管理创新实践（年）论文集 （）：任瑞柯 海外工程项目设备采购、运输与现场管理 设备管理与维修，（）：焦小亮，孙美，黄磊 设计企业转型做总承包业务管控模式剖析 四川水力发电，（增 ）：，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）布置的三维设计成果。传统的设计方法和手段形成的施工布置图往往是基于等高线的，这是一种平面的、缺乏直观和立体感效果的设计。为了适应市场对三维设计的要求，本项目设计初始就进行了三维设计工作，通过无人机航测技术可以快速形成某区域的三维实景模型。借助于该设计模型，可以量测各种空间位置关系，辅助进行三维设计。采用 软件不仅可以生成等高线、，而且结合 软件（或 ）可以生成效果极佳的三维设计成果。采用无人机航测技术生成三模型后进行三维设计，可以大大提高三维设计效率，不仅无需重新测量地形，而且原有的地物信息可以一并生成在三维模型内，后期再运用 软件处理，即可生成满足工程需要的正式三维施工总布置图。结论与展望本文利用无人机航测技术在某水库扩建项目中的全阶段应用，系统解决了传统方法在施工布置中的难题，全过程指导了该项目的设计和建设施工，提高了工作效率，节约了工程投资，充分证明了该技术在施工布置设计中的应用前景。（）利用无人机制作全景施工布置图，可以快速辅助进行地物地貌信息采集以及前期规划设计，也可用于施工形象面貌监测和展示，提高了工作效率。（）无人机航测技术可以提高目标区域地图的分辨率，从而快速生成高清的平面实景三维模型，便于现场核对设计方案的合理性并对其进行及时准确的调整。（）利用无人机航测技术处理后，可以快速生成实景三维模型及三维施工布置图，且效果逼真、立体感极强。当然，无人机技术应用绝不仅限于三维施工布置，对于其他类型的国内外工程，无人机技术均可作为辅助技术进行相关工作。参考文献：周靖鸿，彭云，向朝，等 水电站枢纽区倾斜摄影测量建模及精度评定 测绘与空间地理信息，（）：张福友 基于大疆无人机的 三维实景建模探讨 广东水利水电，：董云涛，李敏，李宗华，等 智能三维技术在抽水蓄能电站测量中的应用 水电与抽水蓄能，（）：任东风，郝凌云 三维实景精细建模在露天矿综合治理中的应用 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（），：李玉成，邹晓列 无人机低空摄影在地形图测绘中的应用及精度分析 水利信息化，：杨玉川，杨兴国，周顺文，等 小型无人机技术在河道治理工程中的应用研究 水电站设计，（）：亓信玖，黄风华，李传林，等 复杂地形下无人机倾斜摄影技术的校园三维实景建模 计算机应用，（）：余加勇，薛现凯，陈昌富，等 基于无人机倾斜摄影的公路边坡三维重建与灾害识别方法 中国公路学报，（）：李永利，唐茂颖，段斌，等 无人机航摄技术在双江口水电站智慧工程建设中的应用 神华科技，（）：王湘文，于启升，王雅鹏 无人机低空摄影测量系统在大比例尺地形图中的应用 地矿测绘，（）：严慧敏，王飞 天狼星无人机航测系统在水利工程测绘中的应用 测绘通报，（）：（编辑：全力立）