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      無(wú)人機(jī)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案跟蹤評(píng)估中的應(yīng)用
      ——以遼寧省某鐵路工程為例

      2020-12-22 19:20:46
      山西水土保持科技 2020年2期
      關(guān)鍵詞:測(cè)區(qū)航拍水土保持

      (遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心)

      為深入貫徹落實(shí)國(guó)家和遼寧省生態(tài)建設(shè)的總體部署,按照《水利部關(guān)于進(jìn)一步深化“放管服”改革全面加強(qiáng)水土保持監(jiān)管的意見》(水保[2019]160號(hào))和《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理辦法的通知》(辦水保[2019]172號(hào))等文件相關(guān)要求,遼寧省水土保持部門開展了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案第三方跟蹤評(píng)估工作。本項(xiàng)研究以遼寧省某鐵路工程為例,闡述了無(wú)人機(jī)在跟蹤評(píng)估過(guò)程中的應(yīng)用。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有精度高、便于識(shí)別判斷等特點(diǎn),大幅提升了水土保持評(píng)估工作的效率和水平,強(qiáng)化了遼寧省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管效率,為水土保持監(jiān)管以及國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程“圖斑精細(xì)化”管理提供了技術(shù)支撐。

      1 項(xiàng)目概況

      1.1 建設(shè)規(guī)模

      項(xiàng)目區(qū)位于遼寧省境內(nèi),鐵路總長(zhǎng)79.68 km,其中新建鐵路66.5 km,利用既有線路13.18 km。全線設(shè)置特大橋4座,3 928.64延長(zhǎng)米;大橋13座,2 861.91延長(zhǎng)米;隧道1座,1 155延長(zhǎng)米;開設(shè)9個(gè)車站。

      項(xiàng)目總占地面積324.67 hm2,其中永久占地308.93 hm2,臨時(shí)占地15.74 hm2。工程挖填土石方總量739.2萬(wàn)m3,其中挖方345.2萬(wàn)m3,填方394萬(wàn)m3,借方52.9萬(wàn)m3(全部外購(gòu)),棄方4.1萬(wàn)m3。

      1.2 項(xiàng)目組成

      鐵路工程主要由路基、橋涵、站場(chǎng)、隧道、施工便道、施工場(chǎng)地及營(yíng)地區(qū)等部分組成。其中:路基總長(zhǎng)度68.175 km,占正線線路總長(zhǎng)85.56%;橋梁總長(zhǎng)度10.35 km,占正線線路總長(zhǎng)12.99%;隧道總長(zhǎng)度1 155 m,占正線線路總長(zhǎng)1.45%;新建車站7座,改建車站2座;設(shè)置施工便道51 km;設(shè)置施工場(chǎng)地及營(yíng)地共5處,包括制梁場(chǎng)2處,施工營(yíng)地1處,拌合站2處,占地面積5.52 hm2;方案設(shè)計(jì)階段未設(shè)置棄渣場(chǎng),工程實(shí)施階段由于部分挖方不符合路基填筑要求,故產(chǎn)生4.1萬(wàn)m3棄渣,棄于DK39鐵路一側(cè)的棄渣場(chǎng),計(jì)劃用于當(dāng)?shù)嘏涮滓龢蚬こ探ㄔO(shè)。

      2 航測(cè)設(shè)備與性能指標(biāo)

      2.1 航測(cè)設(shè)備

      本項(xiàng)目使用大疆M600pro六軸旋翼無(wú)人機(jī)和大疆悟INSPIRE2四旋翼無(wú)人機(jī)。

      大疆M600pro六軸旋翼無(wú)人機(jī)搭載Zenmuse X5相機(jī),其外形尺寸為668 mm×1 518 mm×727 mm,軸距為1 133 mm。主要性能指標(biāo):最大起飛重量為15.5 kg,最大飛行速度65 km/h;掛載正常任務(wù)單元的滯空時(shí)間為20-35 min;采用垂直起降方式,最大上升速度為5 m/s,最大下降速度為3 m/s;最大抗風(fēng)能力8 m/s;海拔升限5 000 m,飛行半徑5 km,通訊距離5 km;工作溫度為-10℃至+40℃。

      大疆悟INSPIRE2四旋翼無(wú)人機(jī)搭載Zenmuse X5S相機(jī)。主要性能指標(biāo):最大起飛重量為4 kg,最大飛行速度94 km/h;滯空時(shí)間為15-27 min;采用垂直起降方式,最大上升速度為5 m/s,最大下降速度4-9 m/s;最大抗風(fēng)能力10 m/s;海拔升限5 000 m,飛行半徑5 km,通訊距離5 km;工作溫度為-20℃至+40℃。

      2.2 主要性能指標(biāo)釋義

      2.2.1 航程

      航程是衡量無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)距離的重要指標(biāo),與無(wú)人機(jī)的翼型、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置等有關(guān)。

      2.2.2 續(xù)航時(shí)間

      續(xù)航時(shí)間是指飛機(jī)耗盡其可用燃料所能持續(xù)飛行的最大時(shí)間,是衡量無(wú)人機(jī)任務(wù)持續(xù)性的重要指標(biāo),不同類型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可具有相同的續(xù)航時(shí)間要求。

      2.2.3 升限

      飛機(jī)能維持平飛的最大飛行高度叫升限,分為理論升限和實(shí)用升限。

      2.2.4 飛行速度

      飛行速度是衡量無(wú)人機(jī)飛行能力重要參數(shù),包括巡航速度和最大速度。巡航速度是指飛機(jī)在巡航狀態(tài)下的平飛速度,一般是最大速度的70%-80%。

      2.2.5 爬升率

      爬升率指在一定飛行重量和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下,飛機(jī)在單位時(shí)問(wèn)內(nèi)上升的高度。也可用爬升到某高度耗用掉多少時(shí)間來(lái)表示。

      3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)工作流程

      無(wú)人機(jī)在航拍作業(yè)時(shí),需要經(jīng)歷三個(gè)階段:

      3.1 前期準(zhǔn)備

      3.1.1 確定項(xiàng)目區(qū)范圍

      根據(jù)查閱工程的基本資料以及與項(xiàng)目負(fù)責(zé)人員溝通了解,圈定項(xiàng)目區(qū)的區(qū)域界線。

      3.1.2 測(cè)區(qū)實(shí)地勘查

      在測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘查,掌握周邊自然環(huán)境、地形地貌、氣候氣象等信息,以便保證起降場(chǎng)地、航線的確定和突發(fā)情況預(yù)測(cè),同時(shí)需觀察測(cè)區(qū)天氣狀況,以判斷無(wú)人機(jī)能否正常飛行。

      3.1.3 無(wú)人機(jī)設(shè)備安裝及其檢測(cè)

      檢測(cè)并安裝無(wú)人機(jī)飛行器及機(jī)載設(shè)備,檢測(cè)其性能指標(biāo)達(dá)到起飛標(biāo)準(zhǔn)后,允許無(wú)人機(jī)起飛并進(jìn)行航拍。

      3.1.4 航線的確定

      通過(guò)調(diào)查確定測(cè)區(qū)界線,并根據(jù)勘查的現(xiàn)場(chǎng)情況確定航線。

      3.2 外業(yè)操作

      無(wú)人機(jī)沿著設(shè)定的航線軌跡飛行后,就形成了航拍數(shù)據(jù)。利用拼接軟件拼接整合數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查,檢查是否有不符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)。對(duì)不符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù),要對(duì)所對(duì)應(yīng)區(qū)域重新進(jìn)行航拍,最終得到達(dá)到質(zhì)量要求的測(cè)區(qū)遙感數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目共獲取3 000余張現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖片。

      3.3 數(shù)據(jù)處理

      3.3.1 遙感數(shù)據(jù)數(shù)字化處理

      利用Pix4Dmapper軟件,對(duì)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。步驟如下:

      (1)數(shù)據(jù)初步處理。利用Pix4Dmapper軟件,對(duì)航拍得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,以去除圖像受噪聲和鏡頭畸變產(chǎn)生的影響。這一步驟可確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量,以便航拍人員快速宏觀地檢查航拍數(shù)據(jù)結(jié)果。如有質(zhì)量不滿足要求的遙測(cè)區(qū)域,則可以在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)補(bǔ)拍。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后,Pix4Dmapper軟件會(huì)形成相應(yīng)的質(zhì)量報(bào)告,內(nèi)容包括工程摘要、質(zhì)量檢測(cè)、校正細(xì)節(jié)、重疊圖像數(shù)、相機(jī)優(yōu)化參數(shù)等項(xiàng)目,從而保證了航拍數(shù)據(jù)能夠滿足工作具體要求。

      (2)數(shù)據(jù)高精度處理。Pix4Dmapper軟件高精度處理是生成航拍影像的重要步驟之一。首先,對(duì)航拍形成的影像相對(duì)于實(shí)拍目標(biāo)產(chǎn)生的幾何差異進(jìn)行校核,產(chǎn)生差異的主要原因有很多,包括無(wú)人機(jī)的飛行速度、高度、姿態(tài)以及地球自轉(zhuǎn)等;其次,根據(jù)立體的相對(duì)定向和絕對(duì)定向等攝影測(cè)量原理,利用全站儀對(duì)測(cè)區(qū)具有明顯特征的位置進(jìn)行測(cè)量。從測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻的選取6個(gè)控制點(diǎn),中心位置選取1-2個(gè)控制點(diǎn)。其中,在高程變化較大的區(qū)域,可通過(guò)增加控制點(diǎn)以提高數(shù)據(jù)精度;最后,進(jìn)行空中三角測(cè)量和點(diǎn)云加密。為了提高數(shù)據(jù)處理效率,可以應(yīng)用多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后整合。具體處理步驟:①數(shù)據(jù)初始化處理;②點(diǎn)云及紋理生成;③數(shù)字表面模型和正射影像生成。

      3.3.2 指標(biāo)信息獲取

      利用Arcgis等軟件,在上述數(shù)據(jù)高精度處理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步計(jì)算出工程項(xiàng)目的水土保持指標(biāo),如地物地貌情況、具體位置、占地面積以及堆積體積等,形成最終成果。

      4 水土保持方案設(shè)計(jì)措施落實(shí)情況

      4.1 主體工程區(qū)

      本項(xiàng)研究調(diào)查路基工程共五段,主要為路堤、路塹高陡邊坡路基、橋梁等。

      調(diào)查小組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及航拍影像,對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)水土保持措施落實(shí)情況進(jìn)行了核查。目前,路基工程已完工,鐵軌鋪設(shè)完成。路基邊坡坡面栽植了紫穗槐,并撒播了草籽。邊坡高度較大時(shí),采用了漿砌石拱形骨架護(hù)坡,骨架內(nèi)栽植紫穗槐。路基沿線有漿砌石截排水溝。站場(chǎng)區(qū)域修建了排水溝,并對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行了綠化。

      4.2 棄渣場(chǎng)區(qū)

      水土保持方案中未設(shè)置棄渣場(chǎng),工程實(shí)施中實(shí)際設(shè)置了1處棄渣場(chǎng)。由于施工過(guò)程中部分挖方不能滿足路基填筑土方要求,在借填土方的同時(shí)有4.1萬(wàn)m3渣土棄于DK39鐵路一側(cè),用于大連市配套引橋工程建設(shè)填土。據(jù)遙測(cè)分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,棄渣場(chǎng)實(shí)際占地面積0.98 hm2,棄渣堆放高度3-4 m,分兩個(gè)臺(tái)階,邊坡1∶1.5。

      4.3 施工便道

      新建施工便道總長(zhǎng)度為51 km,采取泥結(jié)碎石路面,一般路段為單車道,寬度4 m;橋隧集中處施工便道為雙車道,寬度6 m。新建施工便道總占地面積10.11 hm2。

      4.4 施工場(chǎng)地及營(yíng)地區(qū)

      本工程施工場(chǎng)地及營(yíng)地區(qū)主要包括制梁場(chǎng)、拌合站等臨時(shí)工程,占地面積5.52 hm2。

      4.5 取土場(chǎng)區(qū)

      水土保持方案設(shè)計(jì)有23.54 hm2的取土場(chǎng),后施工階段取消了方案設(shè)計(jì)的取土場(chǎng),工程填方不足部分采取外購(gòu)。

      5 小結(jié)

      利用低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),能夠針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的動(dòng)態(tài)情況,定時(shí)定點(diǎn)進(jìn)行航拍及數(shù)據(jù)傳輸,可以高效率、高質(zhì)量地解析較復(fù)雜區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù),大大提升了野外勘察的速率。可以準(zhǔn)確調(diào)查生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案的落實(shí)情況,掌握不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的重點(diǎn),摸清水土保持方案實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題,為水土保持監(jiān)督管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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