無(wú)人機(jī)影像在高速公路檢測(cè)中的應(yīng)用分析

何濤

（中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 100089）

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)是通過(guò)利用通訊技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，對(duì)高速公路的交通情況、道路養(yǎng)護(hù)和建設(shè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析的一種新型應(yīng)用工具。相較于傳統(tǒng)的高速公路檢測(cè)工具，無(wú)人機(jī)影像技術(shù)具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)技術(shù)為其提供了高空俯瞰視角，不僅具有了更加廣闊的拍攝范圍，在數(shù)據(jù)采集的實(shí)效性與準(zhǔn)確性上也有了新的突破。無(wú)人機(jī)上搭載的高清攝像機(jī)，可以快速獲得拍攝區(qū)域的高分辨圖像資料和大比例圖像。再加上高速的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)更新道路情況成為可能。

1 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)作業(yè)的主要流程

1.1 前期準(zhǔn)備

在對(duì)高速公路進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像道路作業(yè)時(shí)，工作人員應(yīng)解決好無(wú)人機(jī)起飛的準(zhǔn)備工作，確保執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)航飛作業(yè)可以順利實(shí)施。前期準(zhǔn)備應(yīng)當(dāng)收集好測(cè)區(qū)內(nèi)自然地理環(huán)境概況信息。充分了解有記錄的測(cè)量報(bào)告，協(xié)調(diào)好區(qū)域內(nèi)交通通行情況，坐標(biāo)登記已有控制點(diǎn)，整理相關(guān)坐標(biāo)信息資料。確認(rèn)測(cè)區(qū)地形地貌以及相關(guān)的氣候環(huán)境，以便后續(xù)的無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)和路線計(jì)劃。

1.2 航測(cè)的主要步驟

根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)初步設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航線走向，制作KML 文件。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)依照KML 文件進(jìn)行飛行測(cè)量。航拍工作前需要先確定航拍區(qū)域矩形四角的84 坐標(biāo)，通過(guò)已確認(rèn)的坐標(biāo)確定航測(cè)區(qū)域。在確認(rèn)航拍的區(qū)域后，相關(guān)工作人員需要對(duì)航拍的工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，主要包括飛行區(qū)域，無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)和是否存在空中管制。在結(jié)束對(duì)飛行現(xiàn)場(chǎng)的勘察后，技術(shù)人員就可以對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航線規(guī)劃。在無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃中主要需要解決無(wú)人機(jī)飛行航線問(wèn)題，不同地形地勢(shì)高度所對(duì)的無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)高度問(wèn)題以及飛行架次問(wèn)題。在無(wú)人機(jī)航拍服務(wù)中還需要包括對(duì)無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷設(shè)定。然后就是執(zhí)行飛行、成果檢測(cè)和后期制作。

1.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)中的關(guān)鍵注意點(diǎn)

（1）航測(cè)任務(wù)規(guī)劃。由于高速公路受相關(guān)地形影響較大，而高速公路航測(cè)精度要求的一般較高，所以在為了即滿足航測(cè)精度要求，又同時(shí)避免發(fā)生無(wú)人機(jī)事故，如何選擇劃分架次就成了是否能圓滿完成航測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)。我們一般根據(jù)地形起伏情況選擇預(yù)定飛行高度，一般以100m 為跨度，劃分無(wú)人機(jī)飛行相對(duì)高度。

（2）人機(jī)硬件選擇。航測(cè)任務(wù)受自然地理因素影響，對(duì)無(wú)人機(jī)硬件要求很高。對(duì)待不同的檢測(cè)情況應(yīng)當(dāng)著重分析自然狀況對(duì)檢測(cè)機(jī)器的要求，預(yù)防可能由于自然條件導(dǎo)致的飛行事故。在解決好航測(cè)設(shè)備的選擇后，我們還應(yīng)當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作能力進(jìn)行評(píng)定。高速公路無(wú)人機(jī)檢測(cè)采用的是低空無(wú)人飛行器測(cè)繪遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)、地面導(dǎo)控軟件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。為了達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，三類(lèi)系統(tǒng)具體產(chǎn)品的選擇搭配工作，也是順利進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)的重要前提。

（3）具體技術(shù)要求。無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)果是否能夠成為檢測(cè)高速公路的有效數(shù)據(jù)，需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)。在此，筆者僅代表自己提出一些標(biāo)準(zhǔn)。

航測(cè)比例應(yīng)為1：500 的圖幅比例地形圖，相對(duì)飛行高度300m；測(cè)區(qū)大小應(yīng)有0.5 平方公里重疊；建議使用WGS84 坐標(biāo)；精度要求為像控點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到18 個(gè)；像控點(diǎn)與測(cè)區(qū)外圍最大間距控制為450m。

影像要求為真彩色數(shù)字影像，航測(cè)所拍照片要求色彩均衡，明亮度、飽和度、對(duì)比度良好。對(duì)地分辨率以6cm 計(jì)算；像對(duì)地之間的連接要求無(wú)縫、自然，灰度接邊基本保持一致；航片傾角不大于4 度，數(shù)碼相機(jī)旋偏不大于12 度。

1.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是區(qū)分無(wú)人機(jī)影像技術(shù)是否能夠成為高速公路檢測(cè)最終結(jié)果的最后一步。當(dāng)前市場(chǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理主要是由商業(yè)軟件完成，這里我們以Pix4Dmapper 為例，簡(jiǎn)要介紹一下內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模塊。

首先是原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作，包括航拍所得的影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，剔除其中不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)源，調(diào)整數(shù)據(jù)使之有效。建立數(shù)據(jù)處理工程，導(dǎo)入POS 數(shù)據(jù)，并設(shè)置POS 數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。

利用像控點(diǎn)編輯器在相冊(cè)中剌出控制點(diǎn)，結(jié)合已有的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量運(yùn)算。在提高分辨率和準(zhǔn)確性方面，可以通過(guò)三維點(diǎn)云技術(shù)提高DEM 與DOM 的精確性。在完成空中三角測(cè)量后，進(jìn)行操作DEM 獲取和正射影像生成，合成高速公路的初步道路信息圖，并調(diào)整扭曲、錯(cuò)位的部分圖像拼接問(wèn)題。

2 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的高速公路檢測(cè)方法相比，無(wú)人機(jī)影像具有以下有優(yōu)勢(shì)。

（1）低廉的檢測(cè)成本。小型無(wú)人機(jī)的市面價(jià)值大多只需要幾萬(wàn)元，而相機(jī)再加上光學(xué)鏡頭也僅需數(shù)萬(wàn)元即可，其日常維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)影像技術(shù)相較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式，成本僅為其1/10。

（2）精確的工程計(jì)算。無(wú)人機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)是電子技術(shù)與信息化的產(chǎn)物，是智能化的產(chǎn)物，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的激光雷達(dá)掃描設(shè)備，我們可以準(zhǔn)確地還原測(cè)區(qū)內(nèi)的地理地貌，通過(guò)數(shù)字化的手段精確測(cè)量，迅速準(zhǔn)確。

（3）強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)能力。無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以迅速收集所需數(shù)據(jù)。且無(wú)人機(jī)影像技術(shù)可以針對(duì)高速公路的不同情況進(jìn)行不同層次檢測(cè)，只需要通過(guò)對(duì)搭載的高清攝像頭進(jìn)行調(diào)整就可以完成不同層次需求的作業(yè)。

（4）高清還原的地貌影像。當(dāng)前市面上的專(zhuān)業(yè)民用數(shù)碼相機(jī)已達(dá)到了8000 千萬(wàn)像素的水平。通過(guò)無(wú)人機(jī)影像技術(shù)獲取的全景數(shù)字化地形測(cè)繪圖，再加上1：500 的高清彩色正射影像圖，兩者對(duì)比能夠清晰地反映高速公路路線地面沿線情況和沿線的地形地貌。

（5）經(jīng)濟(jì)的測(cè)繪時(shí)間。傳統(tǒng)的航測(cè)手法難以獲取的彩色高清影像，且其審批工作艱難，一般周期多在三個(gè)月以上，但使用無(wú)人機(jī)影像技術(shù)對(duì)高速公路進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)限大大縮短，往往幾天就可以完成以往數(shù)月的工作。

（6）低標(biāo)準(zhǔn)的條件要求。無(wú)人機(jī)影像技術(shù)檢測(cè)高速公路所需條件簡(jiǎn)單，以多旋翼無(wú)人機(jī)為例，多旋翼無(wú)人機(jī)僅需要一塊較為平坦的空地就可以開(kāi)始檢測(cè)作業(yè)，甚至在條件不便的情況下，可以采用彈射起飛。無(wú)人機(jī)可以彌補(bǔ)衛(wèi)星在特殊天氣下無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效抓捕的限制，它可以適應(yīng)較為激烈的機(jī)動(dòng)作業(yè)和相較惡劣的自然環(huán)境，不受天氣地理?xiàng)l件影響。

2.2 缺陷

雖然無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在檢測(cè)高速公路中具有非常好的應(yīng)用前景，但其本身受限于技術(shù)原因仍有一些缺陷需要改進(jìn)。例如：GPS 定位較差，受信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，無(wú)人機(jī)在接受GPS信號(hào)時(shí)難以獲得穩(wěn)定的GPS 信號(hào)，致使無(wú)人機(jī)航拍所得的有效面積較??；我國(guó)目前在高速公路檢測(cè)領(lǐng)域所用的無(wú)人機(jī)基本上屬于小型和超輕型無(wú)人機(jī)，由于受質(zhì)量原因，在工作環(huán)境中常常受到氣流影響，姿態(tài)穩(wěn)定性差，拍攝的相片旋偏角和航偏角難以控制；由于我國(guó)無(wú)人機(jī)檢測(cè)高速公路的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，檢測(cè)工具也往往比較簡(jiǎn)陋，多為民用工具，無(wú)法達(dá)到專(zhuān)業(yè)級(jí)別，這對(duì)后期的圖像處理產(chǎn)生了不利影響。

3 探討與分析

針對(duì)無(wú)人機(jī)在高速公路檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，文章對(duì)此進(jìn)行討論，并為其提出一些建議。

我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平，如何將無(wú)人機(jī)技術(shù)完美地融合入日常時(shí)間工作是我們需要思考的問(wèn)題。首先考慮現(xiàn)行的無(wú)人機(jī)專(zhuān)業(yè)化問(wèn)題，在當(dāng)今的無(wú)人機(jī)高速公路檢測(cè)領(lǐng)域，運(yùn)用無(wú)人機(jī)還屬于局部的、自發(fā)性的行為，沒(méi)有相關(guān)規(guī)定輔佐無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展。作為相關(guān)工作者，我們應(yīng)當(dāng)清晰意識(shí)到無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)技術(shù)可能帶來(lái)的推動(dòng)作用，深刻分析無(wú)人機(jī)影像技術(shù)的發(fā)展前景，以積極的態(tài)度推進(jìn)無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。將我國(guó)高速公路檢測(cè)從傳統(tǒng)檢測(cè)推向無(wú)人機(jī)影像技術(shù)檢測(cè)，再到專(zhuān)業(yè)化的無(wú)人機(jī)影像技術(shù)檢測(cè)。將無(wú)人機(jī)檢測(cè)從民用階段推動(dòng)之至專(zhuān)業(yè)化。

對(duì)待GPS 定位問(wèn)題，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)未來(lái)充滿信心，隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，5G 時(shí)代的到來(lái)，大數(shù)據(jù)通信方式發(fā)生深刻改變，這將更加有利于無(wú)人機(jī)高速公路檢測(cè)事業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)上的應(yīng)用前景是非常廣闊的，它有著傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)進(jìn)步，無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)成為我國(guó)高速公路檢測(cè)的一大支撐點(diǎn)。