基于无人机全息三维实景物联大数据的施工安全管理新技术

温博， 王伟任， 谢瀚莹， 甄键

（1. 广西南天高速公路有限公司；2. 万航星空科技集团有限公司；3. 上海铁妤工程科技有限公司）

1 简介

无人机（unmanned aerial vehicle，简称UAV）是一种由无线电设备或由程序控制的无人驾驶飞行器。具体而言，它是动力驱动，能够通过无线电地面遥控飞行和自主飞行。无人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统（MDS数传电台是国内无人机用得最多的数据链设备）、发射回收系统、电源系统等。飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行完任务后从天空安全回落到地面。

2 基于无人机全息三维实景物联大数据的施工安全管理新技术的应用

本文以S308 桂平石龙至樟木公路项目为例，S308桂平石龙至樟木公路位于广西壮族自治区贵港市境内，是《广西普通公路省道网规划》中“S308”的一段，起点位于桂平市石龙镇石山村附近，与国道G358相接。路线向西布线，途经石龙镇、庆丰镇、奇石乡、中里乡、东龙镇、山北乡，终点位于樟木镇与来宾交界处。项目测区跨度五十多千米，属于典型的喀斯特地貌，地形复杂、植被茂密，测区为带状沿山谷分布，两侧高山峡谷，垂直落差较大，增加航拍及施工的难度。

2.1 设备配备

2.1.1 硬件设备

1）大疆经纬M300 RTK+禅思DJI L1 激光雷达相机+赛尔PSDK 102S V3五镜头倾斜摄影相机1套大疆经纬M300 RTK 具有55 分钟长续航、飞控稳定、强大的机器智能及六向定位避障、RTK定位精确等优势。禅思L1 集成Livox 激光雷达模块、高精度惯导、测绘相机、三轴云台等模块，搭配经纬M300 RTK 和大疆智图，形成一体化解决方案，轻松实现全天候、高效率实时三维数据获取以及复杂场景下L1 能够穿透桉树人工林获取地面数据的高精度后处理重建；赛尔PSDK 102S V3五镜头倾斜摄影相机机身集成五块2516万像素影像传感器，最小拍照间隔可达0.5次/s，照片自带POS，让作业流程更高效；同时配备了GPS测量仪器采集像控点，验证成图的精度。

2）大疆机场+DJI Mavic 3行业系列1套

大疆机场具备强大的环境适应性，无论严寒酷暑皆可7×24 小时无人值守作业。通过大疆司空2，在云端可对机场进行任务规划和设备管理，远程制定飞行计划、自动执行任务，将作业成果自动上传归档，高度一体化设计，支持快速部署，解放繁复劳动。DJI Mavic 3行业系列紧凑小巧，可一手掌握，方便携带；配备机械快门广角相机、56 倍变焦相机及RTK模块，支持高精度高效测绘及巡检作业；机身耐用，可应对长时间作业挑战。

2.1.2 软件应用

项目所采用的软件有大疆智图、航迹大师、大疆司空 2 和安全管理监控平台软件。大疆智图提供自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建的PC应用软件，可一站式帮助用户全面提升航测内外业效率，将真实场景转化为数字资产。航迹大师针对大疆无人机倾斜摄影测量的专业级航线定制软件，特有的交叉如环绕航线、仿地航线、仿面航线、变坡航线、立面航线、Lidar航线、电力航线等可以满足多种场景需求。LiDAR360 专业级点云数据处理平台软件，包含了丰富的点云数据处理工具，能够实现数据可视化，有效地编辑、分析以及生成面向不同行业的地理空间产品[1]。大疆司空2，是由大疆推出的一站式无人机任务管理云平台。通过电脑或移动设备的浏览器，既可带来全面、实时的无人机态势感知，也可实现团队信息的高效聚合、处理与同步。安全管理监控平台可实现整个高速公路的沿线场景可视化展示，实现多源数据的融合应用和安全监控大数据评价分析，将单一现场安全监控革命性升级为实景场景化综合安全监控管理。

2.2 数据采集与数据处理

数据的采集与处理是无人机技术对公路进行全息三维实景物联大数据的施工安全管理的基础，具体步骤为：

①根据甲方勘察技术资料和现场踏勘，确定无人机飞行方案及无人机机场的选址。

②地面控制点布设及测量，尽量保证地面控制点均匀分布。

③执行无人机飞行，获取无人机影像数据。

④使用内业软件处理数据，生成三维点云、三维实景模型等多种数字化成果。

⑤将相关的成功数据资料融入平台系统中进行管理应用。

2.2.1 航线规划

本项目前期采集三维点云数据使用航迹大师软件进行规划航线，大疆L1激光支持3次回波、测量距离450m(反射率80%，0klx)/190m(反射率10%，100klx)、有效点云数据率240,000 点/s；激光点有较大概率能打到地面。根据项目要求，设置作业飞行高度80m，飞行速度8m/s，旁向重叠率50%。在遥控器调整相机参数为快门1/1000，白平衡选择晴天、ISO设置为自动。

项目施工阶段采集三维实景模型使用经纬M300配套的航线规划软件DJI Pilot进行航线规划，对于地下复杂落差大的地区可以使用航迹大师软件进行仿地飞行规划航线，根据项目要求作业飞行高度100m，飞行速度10m/s，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，拍照模式采用了等距拍摄。在遥控器调整相机参数为快门1/1000，白平衡选择晴天、色彩模式选择生动、ISO设置为50-1000。

2.2.2 数据处理

本项目采集的数据使用大疆智图软件进行处理。对于三维点云数据处理包括添加数据、设置点云有效距离、打开点云精度优化、选择输出坐标、选择成果格式等操作流程输出las 格式的三维点云数据，同时利用激光雷达附属的可见光航片生成正射影像数据，为后期施工阶段航拍提供参考。生成后的三维点云数据处理采用LiDAR360 软件，进行点云去噪、平滑、地面点分类、点云生成等高线、DEM等操作处理。最终成果数据制作成1：2000 比例尺DEM、DOM、等高线等基本测绘数据应用到施工设计应用方面。

使用大疆智图对于三维实景模型数据处理包括多视角图像特征点提取、特征点匹配、光束法平差、稠密重建、构三角网、纹理映射、LOD多层次模型、三维实景模型建立等原理生产成三维实景模型数字化成果。

3 数据应用

3.1 点云数据应用

应用于公路勘察设计工程的可行性研究、初步设计、施工图设计和BIM 设计。传统公路勘察测量通常采用全站仪、GPS-RTK、水准仪等测量技术，对于这种地势陡峭、地形复杂的山区，在测量时受地物遮挡严重、多次转站测量又削弱了测量精度，测量效率低、耗时费力。机载激光雷达技术可以通过激光穿透植被，获得高精度、高密度的激光点云，生成高精度的数字高程模型、等高线等前期设计的基础数据；勘察人员无须深入场地即可完成作业，同时设计人员可在室内根据此基础数据生成中桩、横断面和线化图数据以及BIM软件利用精准的数字高程模型生成三维地形曲面，同时叠加影像数据，可以在三维场景中进行直观的方案设计。

3.2 大疆机场+大疆司空2应用

对于公路建设施工线路长、地形复杂的工程项目，工地距离远、便道长，各项目部到施工点，平均40km，来回耗时长，并且传统工程进度管理办法采用报告、报表形式，简明描述工程实际达到的形象部位，存在数据不准、报告不真实的问题。通过大疆司空2 平台，在云端可对机场进行任务规划和设备管理，远程制定飞行计划、无人机自动执行精细化巡检任务，管理人员无须到达现场巡查，即可远程随时查看作业实况和实时低延时高清画面直播，在线监控作业现场，发现有施工问题，即可联系现场施工人员进行处理；作业成果自动回传、归档，一站式管理数据，随时分析无人机采集、图传图像信息。无人机执行完任务后自动归位充电，等待25min 后就能再次执行任务。通过红外相机，晚上也可以执行巡检任务，及时监控，及时发现问题。

无论白天还是黑夜，都可高效获取任务区域内最新的影像数据。通过可见光云端建图，单架次即可获取约1.5km2的清晰地理影像，了解最新地形状况和施工进度，可在三维场景中可测量点坐标、长度、面积等数值在模型进行标注，对工程建设过程中的关键进度进行定性、定量分析，查看施工进度，即可有效全面掌握工程进度的周期性变化，规避进度预期及施工安全风险。

3.3 安全管理监控平台应用

通过无人机倾斜摄影定时和不定时航拍处理后的实景三维数据上传到平台实景模型中，平台采用流式加载技术使得数据在服务器被存储和调用，运用普通配置的电脑即可流畅对整个三维场景进行高效可视化浏览和飞行穿梭。在实景三维场景之上，接入全路段风险管控数据，可随时查看不同工点的人为不安全因素、物下不安全因素、环境不安全因素等具体安全相关数据。同时可在实景模型之上显示所有隐患排查点，点击相应的隐患点可查看具体隐患的等级、类型和详细参数。平台接入整个工地的视频监控数据显示在三维场景中，点击相应的图标可实时查看该设备的监控影像[2]。工地上大型机械设备也是安全监测的重点，比如工地塔吊系统接入了物联网设备，对于塔吊相关的力矩、回转、风速、倾角等设备参数实时获取，通过界面可实时监测所有塔吊的工作状态。

4 结语

随着公路工程建设步伐迅速发展以及无人机航测技术的发展在国内越来越受重视，本文运用无人机具有巡线机动灵活、巡检快捷、信息反馈及时、工作效率高效、经济便捷的特点，研究基于无人机全息三维实景物联大数据的施工安全管理新技术，将公路施工现场搬到计算机上进行管理，为未来公路施工管理的革新提供建议，使其在安全监测领域的应用趋于信息化、智能化管理。