Topcon 天狼星无人机在桥梁工程中的应用

Topcon 天狼星Sirius Pro 无人机是一款搭载垂直摄影平台的免像控低空无人机飞行系统,它有着起飞方式简单、适应能力强、能随时切换操作模式并实现自动化的降落等特点。


面对地形复杂、环境条件差等因素的银西铁路庆阳段教子川特大桥施工前期规划难题,利用该无人机对该施工区域进行低空航空摄影测量,为施工单位提供现时性强,精度高的数字地表模型(DSM),利用相关软件进行分析提取,为施工单位前期施工带来极大的方便。


Topcon 天狼星无人机在桥梁工程中的应用


工程概况

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银西铁路教子川特大桥是属于银西铁路甘宁段4 标的一项重点工程。该桥位于两座长达隧道中间,起着连接作用,又横跨G211 高速公路,墩身较高,施工难度大。


位于两座山之间的峡谷地带,周围房屋错落,道路交错,环境复杂,还有高边坡防护,所以前期的施工规划相当的重要。但是由于传统的测量方法效率低下,耗时耗力,影响施工的进度,所以采用无人机航测为施工带来便捷。


外业数据的采集

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无人机高分辨率的影像获取,必须对现场进行野外现场实地飞行,这区别于卫星遥感影像,因此要解决施工难题,首先应该进行外业数据的采集。


制定飞行计划:

根据对现场情况的初步了解及卫星遥感影像的分析,利用MAVinci Desktop 软件进行无人机飞行计划的制定。

  1. 进入软件,新建工程项目。

  2. 新建飞行计划,框选合适的飞行区域,设置好相关参数,然后计算飞行计划。在此过程中应该明确飞机的飞行高度、地面采样距离、航向和旁向重叠率、飞行方式等问题。

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制定飞行计划


执行飞行计划即飞行作业:

  1. 安装好无人机设备并检查,确保一切正常后,上传已经制定好的飞行计划,确认无人机已加载该计划。

  2. 按正确方式放飞无人机,利用地面控制软件观察飞机的飞行姿态和任务进展,确保无人机的安全和任务的顺利进行。

  3. 飞行任务结束后,操作无人机降落在预先选定的场地,外业数据采集完成。


数据后处理

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在外业的飞行任务完成以后,需要对获取的高清相片进行处理,通过相关软件生成具有多用途的DOM 和DEM 影像图。


飞行相片与飞机实时的RTK点位数据进行匹配:

在飞行任务结束后,无人机机载系统会自动下传每一张相片对应的多个点位数据信息ftp 文件xx.plg。飞机降落以后,取出相机卡槽中的SD 卡,插入电脑。生成匹配,选择当次飞行的ftp 文件和对应的照片,设置适当的存储位置,完成匹配。


利用Photoscan 软件生成DOM、DEM 影像图:

匹配生成以后,选择合适的坐标系,输入基准站坐标,导出到后处理软件Photoscan。进入photoscan 软件,利用mavinci 小插件进行无地面像控点的一键式后处理,设置完成后,软件自动运行,不定期的查看运行状态,确保数据处理的及时和正确。


处理完成后导出导出整图副的DOM 和DEM 影像图,在导出时一定勾选导出世界文件。

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教子川特大桥DEM 影像图


为施工问题提出解决方案

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通过无人机获取到DOM 和DEM 影像图后,利用VirtualSurveyor 软件对其进行处理,生成直观精确的数字地标模型DSM,为现场施工的一些问题进行分析,通过影像图提取和规划出合理的解决方案。


利用VirtualSurveyor 软件生成DSM:

新建地形模型,选择合适的DOM 和DEM,生成数字地表模型DSM。生成后加载该模型,进入3D 视图模式,可以查看该区域的原始地貌情况,对地形地貌和特征建筑有初步的了解。


施工场地布置:

在VirtualSurveyor 软件生成DSM 后,利用软件功能可以生成地形图和地表水流向图等,据此可以科学合理的布置驻地场所和加工厂等施工临建的选址,确保临建场地处于安全地带,不受强降雨或大风等恶劣天气的影响。根据DSM 可以获得线路周边和施工场地周围的地形地貌特征,确定可利用的施工场地,更加合理的利用有限的土地资源。

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施工便道的选取:

在3D 模式下,根据地形变化和周围环境的分析,初步选取多条施工便道并画线,对每条线进行左右十米边距的特征点提取并命名独立文件保存,导出此类文件,利用CAD 等工程类软件进行线路规划,坡度分析和确定线路。


VirtualSurveyor 提取的特征点具有和地表模型相同的坐标系统下的坐标和高程数据,在数据后处理时我们采用的坐标系统是和施工坐标系是一致的,所以提取的特征点可以直接用于施工规划和前期策划。


填挖方量的统计:

教子川特大桥位于两座山之间的峡谷地带,其中有一部分紧靠山体,所以为了运行的安全,设计了五级边坡防护山体变形发生的危险。施工前应对填挖方量做初步统计,而复杂的地形条件给该项工作带来了很大的不便。利用VirtualSurveyor 软件和DSM 模型,就可以轻松的完成该项工作。


在软件中,利用设计提供的每级边坡的边线坐标,可以选定每级边坡在DSM中的位置,给定边坡顶面高程面为基准面,就可以计算出相对应的填挖方量,每级边坡计算完成后,统计总的填挖方量。同样的原理,为该标段的贾塬隧道二号斜井砟场进行了方量的计算,结果为48.72 万方,大于预计填空量48.02 万方,确定该砟场可用。


施工管理:

无人机飞行产生的成果可以帮助施工单位更加有效的管理整个项目的进度,提升质量管控力度和水平。通过对不同时间节点的两次飞行成果的比对,可以很清晰的发现项目施工的整体进度及施工现状,对未来施工计划和进度做出更合理的规划。

Topcon 天狼星无人机在桥梁工程中的应用

飞行后生成的DSM 可以在3D 模式下查看工程已完成的状况和周边地形的变化,提取结构物的位置坐标,中心点位坐标等特征点坐标,可以检查施工质量和施工进度。


结论

本文分析了天狼星无人机在桥梁工程中的几点应用。随着无人机机载设备的不断发展,精度不断提高,可以替代传统的测量方式实现桥梁的变形监测。