无人机和Arcgis在线性工程水土保持设施验收中的应用

莫学海

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

对于线路长、区域广、工点分散的线性工程，水土保持设施验收工作量大，传统的现场勘查和内业整理方法会耗费较多的人力物力，且工作效率、数据精度无法保证。随着现代科学技术的不断进步，应用于水土保持工作中的高新设备和技术日益成熟，尤其是在卫星遥感、无人机技术等方面的应用取得了快速发展。无人机技术具有低空高分辨率、航拍和测图效率高、外业成本低、快速、方便的特点。但由于无人机技术在水土保持设施验收工作中的应用属新生事物，尚未形成统一、有效的方法与标准，加上水土保持相关技术人员基本无测量技术背景，对于低空摄影数字影像图的后期处理，需克服专业壁垒及技术短板的影响等因素。

1 工程概况

梧柳高速主线全长214.352 km，主线采用双向四车道高速公路标准，其中梧州至象州段设计速度为100 km/h，路基宽26 m，象州至柳州段设计速度为120 km/h，路基宽28 m；象州、平南东连接线采用二级公路标准，设计速度80 km/h，路基宽15 m；江口、运江、东华连接线采用二级公路标准，设计速度60 km/h，路基宽10 m；白沙、国安至垌心连接线采用二级公路标准，设计速度40 km/h，路基宽8.5 m；大瑶山旅游区连接线采用三级公路标准，设计速度30 km/h，路基宽7.5 m。主线、连接线全部为新建项目。全线共设置桥梁217座，总长45 859.91 m；共设置涵洞通道1156道，总长42 681 m。全线共设置隧道16座，总长15 265.5 m。项目建设内容包括：路基、互通（14 处）、桥梁（217 座、涵洞1156 道）、隧道（16座）、沿线设施（主要包括服务区6处、隧道管理站3处、无人通信站14处、养护工区5处、匝道收费站10处）。项目建设过程中设置弃渣场189 处，取土场38处，施工生产生活区49处，施工便道147.82 km。

2 水土保持设施验收重点内容

梧柳高速水土保持设施验收自查初验的重点工作主要为复核项目水土保持方案确定的水土流失防治目标，全面核验水土保持设施数量和投资，检查各项水土保持措施配置的合理性及设施质量，评价施工中的水土流失控制效果以及水土保持设施试运营情况和效果，核查水土保持设施后续管理责任落实情况，明确验收前需要解决的遗留问题，提出自查初验核查的结论和建议。

梧柳高速水土保持设施验收外业核查采用无人机进行全面航飞，检查水土保持措施实施范围、面积，检查有无新设取土场、弃渣场，检查有无较大的水土流失危害等。对于线路较长、弃渣场多且分散的线性工程，水土流失重点防治区域为弃渣场区，因此水土保持设施验收的重点查验内容为弃渣场防治责任范围、面积，以及水土保持设施数量，主要为弃渣场周边截排水沟、坡脚挡渣墙、弃渣顶面和坡面绿化措施等。

3 硬件及软件支持

3.1 硬件配备

梧柳高速水土保持设施验收现场核验采用的无人机为消费型四旋翼无人机，型号为Phantom4 Pro（大疆精灵4 Pro），由飞行器、遥控器、云台相机以及配套使用的DJI GO 4 App组成。

机身配备先进的视觉定位及障碍物感知系统，能够实现指点飞行与智能跟随等功能，并可自动返航以及在室内稳定悬停、飞行；配备全新24 mm 低畸变广角相机、高精度防抖云台以及1 英寸CMOS图像传感器，可录制最高规格为4K 每秒60 帧的超高清视频，能拍摄2000万像素JPEG以及无损RAW格式的照片；配备高能量密度智能飞行电池相高效率的动力系统，最大水平飞行速度为20 m/s，最大飞行时间约为30 min。遥控器内置全新一代双频高清图传地面端，与飞行器机身内置的天空端配合，信号传输距离最远可达7 km。

3.2 软件支持

梧柳高速水土保持设施验收选用的矢量图形处理软件为地理信息系统软件Arcgis10.5。Arcgis是美国环境系统研究所在全面整合了GIS 与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后推出的一个统一的地理信息平台，它是一个工具箱的地理信息系统软件，是我国GIS领域常用的商业软件。

Arcgis桌面产品是一系列整合的应用程序的总称，其包含诸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox 及ArcGlobe 等在内的用户界面组件。其中ArcMap 是Arcgis 桌面产品中的一个主要应用程序，它具有基于地图的所有功能，包括制图、地图分析和编辑等。ArcMap可以用来浏览、编辑地图图形及基于地图图形的分析。

4 无人机和Arcgis在线性工程水土保持设施验收中的应用

4.1 无人机数据获取、Arcgis图形处理及建模

梧柳高速建设过程中共设置弃渣场189 处，多设置在路线两侧的山坳、坡地或凹地。由于水土保持设施验收工作常在主体工程及水土保持设施接近完工时开展，若以常规方法驱车前往每个弃渣场进行核验，需通过高速公路匝口及通往弃渣场的弃渣道路才能到达，将消耗大量的人力物力。若采用无人机技术进行航拍核验获取图像，并在内业整理时采用Arcgis 软件进行数据分析，会减少人力物力损耗，也会大大缩短现场勘查的时间。

以下以弃渣场为例，对梧柳高速水土保持设施验收中采用的无人机航飞技术和Arcgis地理信息处理技术进行归纳总结。

4.11 长度及面积量测

利用无人机对单个弃渣场进行低空正射影像拍摄，用Pix4Dmapper 软件将原始影像碎片进行拼接，可获得完整的弃渣场正射影像（见图1、图2）。

图1 弃渣场低空正射影像碎片

图2 拼接后单个弃渣场完整正射影像

拼接后的单个弃渣场正射影像为具有相应坐标系的矢量图形，将其导入Arcgis 软件的桌面应用程序ArcMap 中，勾绘弃渣场外围线或挡渣墙、截排水沟中线，便可进行长度和面积属性提取（见图3）。

图3 基于Arcgis进行图形属性提取

4.1.2 堆渣量量测

Arcgis提供的表面分析工具可进行较复杂的表面分析，如创建等高线工具和体积工具可计算某个弃渣场底面以上的体积，从而估算弃渣场堆渣量。

图4 图像拼接—获取数字高程模型（DEM）数据

在对弃渣场的无人机正射影像进行拼接完毕后，可建立图像模型，使用三维分析模块的“表面体积”工具，可以计算相对于某个参考平面的二维面积、表面面积及体积（见图4～图6）。

图5 等高线数据获取

图6 基于Arcgis堆渣量计算

4.2 规划航线实现数字影像数据的获得

常规手动拍摄数字影像数据有其便利性及易上手等特点，但在地面参照物不明显或飞行线路较长、较复杂时，操作者很难判断飞行路线，导致无法判断飞行器所在位置。而此时规划航线拍摄就以其准确性及自动化等特点，在线性工程航拍中得到更广泛的应用。具体实现过程主要包括：将拟飞行区域范围图转换为kml 文件，将kml 格式的拟飞行区域范围图导入飞行控制平台Altizure，参照导入的拟飞行区域范围图利用Altizure 进行航线规划，根据设定任务自动完成飞行拍摄。

5 结语

在梧柳高速水土保持设施验收过程中，为了解决项目涉及范围广、线路长，弃渣场数量多、分布散，以及核验工程量大等问题，我们在外业勘查时利用无人机获取关键图形数据，并在内业整理时利用Arcgis 软件提供的地理信息处理功能，建立图像空间模型，快速获取关键信息，实现了无人机技术与Arcgis 地理信息技术的结合，提高了线性工程水土保持设施验收的工作效率和核验精度，可为其他类似工程提供借鉴。