无人机在法国水利工程中应用的最新进展

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近年来，无人机技术日趋成熟、可靠度高，足以用来执行测量任务。在此背景下，特克贝尔(Tractebel)工程公司决定投入自己的设备，并在公司内部开展必要的无人机技能培训。

特克贝尔工程公司是苏伊士环能集团下属的国际工程咨询公司，拥有两架多旋翼无人机设备，且均配备有合适的相机，并安装了任务规划软件和后期处理软件。该公司所使用的无人机是由3DRobotics 无人机公司生产的四旋翼Iris+无人机，可携带RX100相机自主飞行约12 min。一个航次的最大覆盖距离约为4 km。

无人机的操作规则因国而异，例如法国和大多数欧盟国家为无人机的操作制定了详细规则，而其他国家禁止使用无人机，或没有为其制定操作规则。研究人员必须花时间了解这些操作规则，并获得无人机操作必要的许可证。

到目前为止，特克贝尔无人机团队已进行了8次现场无人机任务，共开展3种类型的任务，主要在非洲进行。结果表明，这项技术未来的发展潜力巨大，成果喜人，并指出在不久的将来，无人机技术将会得到更大程度地发展。

1 提供航拍图片和视频

通常，水电项目是国家规划类项目，惠及全国。这些航拍图片和视频有助于项目业主有效沟通、传达项目信息，如项目施工、执行和调试等信息。

一般来说，施工的建筑工地较大，无法从地面上进行综合勘测，因此需要从远程视角获取单张图片或视频，将项目的状态可视化。无人机拍摄的航拍图片或视频可提供这种视角，并能对项目状态作出有效总结，以便清晰了解项目的相关状况。

图1展示的是一张摄自喀麦隆隆潘卡尔(Lom Pangar)水电站大坝的航拍照片，其坝长约1 km。

图1 隆潘卡尔水电站大坝坝址航空影像

从实用性角度看，这些影像是通过无人机相机拍摄，其无人机操控手能够选择摄像机的位置和方向，以捕捉最佳的拍摄角度。相比之下，航拍视频则可通过已预设在飞行器电脑上的航线拍摄获得，以确保摄像机拍摄的稳定性和方向感。任务规划软件可使无人机自动行驶至特定的几个航标，并将摄像机对准已选定的目标物。

2 获取项目区域的可视化评估

在水电项目的初始设计阶段，项目组可能会在现场考察期间面临诸多挑战，包括：① 悬崖或非常陡峭的斜坡； ②几乎无法穿越的河流或非常湍急的河流； ③场地植被非常茂密；④项目区域内道路不畅。

该研究中的项目区域所涉面积较大，可能包括水库、采石场和采泥区，这就进一步加大了现场的考察难度。同样地，该项目的各个部分可能位于一条很长的河段上(例如远程发电厂的大坝)。因此，在项目发展初期，设计团队需要确定最佳的项目布局，且须为项目的不同组成部分选好合适的地址。

从图2可以看出一个新建项目考察期间遇到的若干困难，如穿越河流或沿河流河岸前行，从图中可查看项目的整个地势及布局。

图2 位于湍急河流上的新建项目

图3 新建项目地点的瀑布景象

无人机有助于项目团队更好地对峡谷(河岸、河床等的几何形态和坡度)进行评估。图3显示了该项目区域拥有天然瀑布这一特点。如果没有无人机协助，将无法深入了解该区域的地形情况。

当涉及到人身安全时，使用无人机完成这类任务能有效降低安全风险，同时还可帮助项目组更细致地了解整个项目区域的概况。

除此之外，这些照片还可为地质学家提供非常有用的信息，使其能够解释项目区域内普通断层模式，如图4所示。

图4 某项目地点的地质断裂模式航拍图片

运用无人机技术，可加深了解项目地点的状况，减少现场勘察耗时，提升服务质量，保证人员安全。此外，无人机所拍摄的图片和视频还可在办公室回放，有助于项目团队进一步加深对项目地点情况的直观印象。当项目开发初期的目标是确定特定区域的最优项目规划时，无人机航拍图片和视频会起到非常重要的作用。

3 地形测量

3.1 获取项目开发初期的地形数据

通常在开展项目可行性研究时，可用的地形数据包括比例为1∶25 000或1∶50 000的地图，格式为硬拷贝件或PDF格式。此类地图具有两大缺陷： ①准确度较低、数据为非数字格式； ②无法在CAD或GIS软件中使用。

采用地面测量或激光雷达测量等传统方法，可生成更为精确的地形数据，但耗时长，需要几个月才能使相关数据达到所需的精度并满足所需细节。

项目团队的首要目标是确定如何对项目区域进行快速调查，运用无人机技术，可生成比现有的地形图更为准确的地形数据，使其快速可靠地进行项目筛选。

3.2 提供可靠的地形数据

特克贝尔工程公司已使用无人机借助摄影测量法获取地形数据。

摄影测量法是一种测量技术，其使用不同位置拍摄的两张或多张图片构成某个物体的3D坐标，如图5所示。其工作原理与人类眼睛和大脑的视觉原理一样：若仅使用一只眼睛，人类只能看到2D信息，使用一双眼睛才能看到3D信息。

图5 两幅立体影像的例子

摄影测量法特别适合测量土地裸露且植被率较低地方的地形数据。当该地区植被较为茂盛时，该法只能计算树冠的高程而非地面的高程，这就会导致生成的数据模型是数字高程模型(DEM)而非数字地形模型(DTM)。特克贝尔公司使用无人机勘测的区域面积较大，每日工作量约250 hm2，相当于飞行10航次/d，每航次10 min。

此类测量的创新点不在于摄影测量过程(其已有50多年的历史了)，而是利用无人机来获取航拍照片的方法。与飞机或直升机获取空中立体照片的传统方法相比，无人机的测量速度更快、价格更实惠。

使用无人机开展测量工作的第一步就是要确定目标区域。然后，在这片区域上选取地面控制点(GCP)，一般是在地面上画白色十字来表示控制点，再由地形测量人员测量其平面和高度。这些GCP点可作为地形模型的地理参考物(详见第 3.3节)。

做好地面测量准备工作后，就可使用任务规划软件提前规划无人机的飞行任务。根据摄影测量法的原理，立体照片要覆盖整个目标区域，其纵向重叠达到约60%，侧面重叠达到约30%。通常图片大小为100 m×80 m。对于飞行计划，一般做法是在地面上画条纹线，如图6所示。各条纹之间的距离取决于飞行高度以及焦距、分辨率等相机参数。图6展现了一次典型的飞行计划。一旦飞行计划得以确认，无人机就可开始执行任务，且其飞行控制器可触发相机自动工作。

图6 地形测量的飞行计划

获取航拍图片后，使用摄影测量软件对其进行后处理，以便得到正射校正图像、数字高程模型(DEM)以及地形图。图7(a)显示出1张DEM图片，图7(b)则为相应的正射影像。

图7 土石坝施工现场的DEM和正射影像

3.3 后处理

借助数字摄影测量技术，运用摄影测量处理软件使3D模型的建立、尺寸确定和可视化成为可能。后处理的步骤如下：

(1) 航拍图片校准。根据地面控制点(GCP)的位置，可生成基于地理参考的密集云点。

(2) 3D建模。可从密集云点中得到一个不规则三角网模型(TIN)，还可得到一个正射影像，用以覆盖整个模型(详见图8)。

图8 3D建模

(3) 输出数字高程模型(DEM)和高分辨率正射影像，同时DEM生成的等高线可在地理信息系统(GIS)中使用。

3.4 测量精度

使用无人机生成的地形数据后，需要确认地形模型的精度。

为评估模型精度，特克贝尔工程公司对面积约为5 km2的区域进行了2次地形测量，并计算其精度。原理是在地面上获得30个GCP点：其中10个用作模型的地理参考，另外20个用于评估模型精度。使用地面测量法以及无人机摄影测量法分别测量这20个GCP点。将这两种方法计算得出的坐标(X,Y,Z)之间的差异值代入模型评估其精度，认为地面测量法的测量精度非常高。

测量GCP的平均误差，并评估模型的精度后，得出地形平面的平均误差约为15 cm，高程的平均误差小于25 cm。对于初期研究而言，这样的精度可以满足相关要求。

3.5 与其他地形测量法对比

在地形测量中使用以下几种方法：①使用双GPS或全站仪的地面测量法；②使用飞机或直升机进行的激光雷达测量法或摄像测量法；③使用无人机进行的摄影测量法。各自的优缺点可概括如下。

(1) 地面测量法： ①精度较高(在平面和高度上的误差约为1 cm)； ②能够快速组织测量且较为常用； ③缺点是所测量的区域面积很小(通常为1～5 km2)，尤其是在森林茂密的地区或雨季多泥、易滑等较危险地区；④一般都能正常测量，但天气状况(风、雨)会影响测量过程，降低测量进度，测量成本很大程度上取决于所测量的区域大小以及所测量区域的地形情况。

(2) 摄影测量法或激光雷达测量法： ①当土壤未有植被覆盖时，激光雷达测量法的精度非常高(平面和高度的精度一般为5 cm)，摄影测量法的精度较高(平面和高度的精度约为15cm)； ②所测量的区域可延伸，达到100 km2/d；③ 缺点是对天气的依赖较高，只有天气晴朗时才能测量，若天空有云，飞机一般需飞过云头，飞行高度约为海拔1 km；④准备时间较长，因为需要飞机准备到位，还需获得预定航线的飞行许可；⑤在飞机起飞之前通常需要2～3个月的准备时间；⑥该方法成本较高，需考虑飞机飞行和准备成本，但对于面积较大的区域则较为有利。

(3) 基于无人机的摄影测量法： ①在土壤无植被覆盖且飞行高度为100 m(飞得越低，测量越准确，但所测面积就越小)的情况下，精度较为合理(平面及高度的精度约为15 cm)； ②能够快速组织测量，与飞机相比，无人机能更快获得相关授权；③通常需要2～3周采集相关数据； ④无人机测量可覆盖的面积约为10 km2，其面积介于地面测量和飞机测量之间；⑤缺点是当风速超过40 km/h，天气对无人机飞行有一定影响；⑥无人机在下雨、有雾或夜间时无法起飞。

图9展示了每种地形测量方法优缺点。

图9 地形测量方式的图解分析

4 结 语

引入无人机1 a多后，特克贝尔工程公司认为，所获得的成果大多具有推动作用和启示意义。采用无人机这种全新的方法确定水电项目的状况，可明显改进项目进度安排、服务质量，并降低成本和提升安全系数。这项技术的应用使得项目团队能够快速收集大量高质量数据(包括航拍图片和地形图)，有助于其在新建项目的全方位调查中做出抉择。

无人机也可应用于施工阶段和定量追踪(地形工具)方面，以便更好地了解项目的基本状况。此外，施工地址拍摄的无人机照片能够记录施工进度以及承包商在施工现场安排的设备、卡车等，因此无人机还可在索赔管理过程中发挥作用。