基于多旋翼無人機的交通流檢測實驗教學方法

秦太興 李鋒 陳志堅

摘 要 充分利用無人機新技術，提出了適用于交通運輸專業本科生的道路交通流調查新型實驗方案和教學方法。根據實驗需求給出了可行的實驗項目系列，并探討了無人機交通流檢測實驗的優劣性，該方法在交通流檢測實驗教學中具有較好的應用前景。

關鍵詞 無人機 交通流檢測 實驗教學

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.060

Abstract Taking full advantage of the new technology of UAV， a new experimental scheme and teaching method of road traffic flow investigation for undergraduates majoring in transportation are put forward. According to the experimental requirements， a series of feasible experimental items are given， and the advantages and disadvantages of UAV traffic flow detection experiment are discussed. This method has good application prospects in traffic flow detection experiment teaching.

Keywords UAV; traffic flow detection; experimental teaching

交通調查是城市交通規劃與設計的重要基礎工作之一，也是城市交通管理中獲取基礎數據的重要手段。[1]因此，《交通調查與分析》是交通運輸相關專業本科生需要掌握的專業核心課程之一。道路交通流調查是交通調查的項目之一，包括各種車型的交通流量調查、車速調查、車輛密度調查等內容。長期以來，道路交通流調查以傳統的人工調查方法為主，隨著計算機和信息技術的發展，先后出現了多種道路交通流自動檢測方法。例如：通過對安裝在路邊的攝像頭進行交通流圖像識別的方法;[2，3]通過地磁或地感線圈進行交通流檢測的方法;[4，5]通過RFID傳感器進行車輛檢測的方法，[6，7]通遙感技術進行檢測的方法等。[8]近年來，多旋翼無人機在各領域中的應用越來越廣泛，已有學者提出采用無人機高空視頻進行交通流檢測的方案。[9]由于基于無人機視頻檢測的交通流調查方法是近年來出現的新方法，在交通調查相關本科教材中仍鮮有提及，為此，本文從道路交通流調查實驗需求出發，利用無人機所能實現的功能，以提高學生實踐動手能力為目標，基于多旋翼無人機的交通流檢測實驗教學方法和系列實驗項目。

1 總體實驗方案

總體實驗流程如圖1所示，步驟如下：

（1）無人機高空視頻圖像采集。采用大疆精靈4 PRO v2.0無人機作為高空視頻圖像采集設備，搭載2000萬像素影像傳感器和16GB數據采集卡。采用控制器將無人機飛行至被采集路段上空懸停，進行道路交通視頻圖像采集，采集時間一般大于20分鐘。在滿足圖像分辨率范圍條件下，飛行高度一般取30m～200m，拍攝的路段范圍一般大于50m*50m。

（2）圖像預處理，選取無人機拍攝的視頻圖像進行預處理，以達到適合進行交通流參數識別的效果。如果拍攝的視頻圖像時間較長，需要對視頻進行分段處理。又如部分視頻圖像如果出現明顯抖動，將影響交通流識別，此時需要進行視頻圖像抖動校正。

（3）距離測算與檢測范圍的確定。為了能檢測車輛速度，需要對所拍攝的范圍進行距離測算，以所測算的距離作為車速估算的一個參數。同時在視頻區域框定所要檢測的車道以及檢測范圍，作為視頻識別的區域。

（4）圖像識別。采用背景差法和幀差法對所拍攝的視頻圖像進行交通流參數識別，檢測的參數包括流量檢測，車速檢測和車流密度檢測，其中車流密度參數可用車道時間占有率來近似表示。

（5）檢測結果校驗，將交通流參數視頻圖像識別結果與實際人工調查的數據進行對比，分析漏檢和誤檢問題及其原因，探討方法的改進和結果的校正。

2 實驗項目系列

根據總體實驗方案，基于多旋翼無人機的交通流檢測實驗具體可開設的實驗項目如下：

（1）無人機交通視頻圖像采集實驗。該實驗的目的是使學生掌握大疆精靈4 PRO v2.0無人機操控方法，采集符合視頻圖像檢測要求的道路交通視頻圖像，掌握交通視頻圖像預處理方法。

（2）道路背景提取實驗。實驗的目的是掌握幀差法的基本原理，學會應用Matlab軟件進行編程，達到采用幀差法對視頻圖像進行背景提取的目的。

（3）車道交通流量檢測實驗。實驗的目的是掌握圖像識別的背景差法和幀差法的基本原理，掌握采用Matlab軟件應用背景差法和幀差法對視頻圖像中運動車輛進行檢測的方法，掌握檢測誤差的影響因素及誤差修正方法。

（4）車速檢測實驗。實驗的目在掌握幀差法識別運動車輛的基礎上，進一步判斷車輛的運動過程和車輛的具體位置，采用距離時間比估算出車輛運動的速度，并掌握檢測誤差的影響因素及誤差修正方法。

（5）道路車輛密度檢測實驗。道路車輛密度是交通流調查的重要參數，本實驗采用車到時間占有率來近似表達道路車輛密度，實驗目的是在掌握車輛識別的基礎上，進一步判斷所選定的檢測范圍內有車輛經過的時間與檢測總時間的比例，并掌握檢測誤差的影響因素及誤差修正方法。

3 無人機檢測實驗的優劣分析

與傳統的交通流調查實驗相比無人機檢測實驗具有以下幾方面的優勢：

（1）與人工交通流調查相比，采用無人機進行檢測的實驗方法，具有檢測范圍廣，效率高，節省人力的優勢。例如要調查一個道路交叉口的交通流量，傳統的人工調查需要8人一組，而采用無人機調查只需2-4人一組。

（2）與傳統的路側交通視頻圖像檢測實驗相比，無人機視頻圖像具有視角范圍廣，視角與地面垂直，拍攝范圍機動可控等優勢，非常有利于提高交通圖像檢測的識別率。

（3）與傳統的地感線圈檢測方法相比，無人機交通流檢測實驗提供了一種全新的實驗方法，可以鍛煉學生對無人機的動手操控能力及計算機編程能力，這些都是傳統實驗方法無法達到的。

然而目前無人機交通流檢測仍存在一些不足之處，首先由于無人機是新興事物，目前還比較缺乏標準的實驗教材;其次，目前的電池技術仍有待提高，無人機的續航時間普遍在30分鐘以內，因此無法進行長時間的拍攝;最后，目前無人機實驗設備價格還比較昂貴，實驗成本較高。

4 結語

無人機的興起為交通流調查實驗提供了新的實驗設備和新的實驗方案，基于多旋翼無人機的交通流檢測實驗教學方法是交通運輸相關專業的一種新型實驗教學方法。與其它傳統的實驗方法相比，該方法具有實驗內容豐富，節省實驗人力，鍛煉學生動手操作能力和編程能力等優點。隨著無人機技術的發展，該實驗方案將在交通運輸相關專業本科實驗教學中具有較好的應用前景。

廣東技術師范大學教學改革與研究重點項目（JGZD201710）資助

參考文獻

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