無人機技術在高速公路智能化管理中的應用研究

羅 凱，何廷全，蘇義坤，楊燕煒

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530000；2.東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

高速公路建設項目具有里程長，標段多，參與方眾多等特點，傳統的管理方式存在效率低、勞動力投入大、作業環境危險等弊端，實現高速公路的智能化管理顯得尤為重要。智能化管理是一種基于高度信息化的新型管理模式，支持人與物的全面感知、施工技術的全面智能化、工作的互操作性、協同信息共享、決策的科學分析和風險的智能預控。

目前已經有很多學者將信息化技術應用到工程建設領域，其中，無人機技術的應用最為廣泛。無人機的近景攝影，可以應用于三維建模[1]；無人機的三維重建技術，可以用于拆除爆破[2]、應急救援[3]；無人機的傾斜攝影技術可以用來測量、規劃方案比選[4]、三維模型的構建[5]；無人機技術與BIM技術相結合，可以應用在智慧工地系統中[6]；無人機的建筑三維可視化，可以用于測量仿真研究[7]；無人機的航測技術，可以應用于大型露天采坑監測等建設項目的監測中[8]。無人機在建設項目管理領域的研究已經取得了豐碩成果，然而，已有研究成果缺乏無人機技術在高速公路智能化管理的具體研究。

基于此，以廣西賀州至巴馬高速公路為依托，對K258+400～K259+030右側三級路塹邊坡展開深入研究。研究無人機技術在高速公路中的智能化管理，分別從數據采集、數據分和數據應用三個方面，對工程項目的進度、質量、安全進行精細化管理，實現管理新模式。

1 工程概況

廣西賀州至巴馬高速公路(來賓至都安段)是《廣西高速公路網規劃修編(2018～2030)》“1環、12橫、13縱、25聯”布局方案中的“橫3線”的一段。路線起于柳州至南寧高速公路穿山樞紐互通，接賀州至巴馬高速公路(象州至來賓段)，路線由東向西，經來賓市興賓區鳳凰鎮、七洞鄉，忻城縣思練鎮、城關鎮，南寧市馬山縣金釵鎮，河池市都安縣菁盛鄉、龍灣鄉，終于都安縣澄江鄉東謝村G210國道附近，順接賀州至巴馬高速公路(都安至巴馬段)，項目主線路全長134.037 km。全線設置鳳凰北、七洞、思練、忻城、金釵5處互通式立交，其中思練為樞紐互通，同步建設忻城東繞城連接線12.504 km；設服務區3處，分別為七洞、忻城、都安服務區;設停車區3處，分別為鳳凰、思練、馬山停車區；設匝道收費站4處、養護工區3處、路段管理分中心1處、通信站6處、隧道管理站4處，路政管理大隊1處。

K258+400～K259+030右側三級路塹邊坡，屬于廣西賀州至巴馬高速公路(來賓至都安段)的TJ1-3分部。TJ1-3分部全長17 km，起點樁號為K253+000，終點樁號為K270+000。

2 數據采集與處理

數據的采集與處理是無人機技術對高速公路進行智能化管理的基礎。具體步驟為。

(1)根據甲方技術資料和現場踏勘，確定無人機飛行方案；

(2)地面控制點布設及測量，盡量保證地面控制點均勻分布；

(3)執行無人機飛行，獲取無人機航拍影像；

(4)使用專業數據處理軟件建立工程、航帶；

(5)對重疊范圍的圖像進行數字關聯，識別并匹配兩個或多個圖像的同名圖像點；

(6)添加控制點數據，進行區域網平差；

(7)生成三維點云數據和DOM等多種數字化成果；

(8)將設計文件等資料融入上述成果中，再根據需求提取工程進度、安全、質量數據。

2.1 數據采集

無人機技術對高速公路進行數據采集，首先需要布設像控點。像控點的布設原則為：

(1)航線全區統一設置地面控制點；

(2)應盡量使用相鄰像對與相鄰路徑之間的地地面控制點；

(3)在拍攝前，應盡可能在地面控制點設置地面標志，以提高刺點精度，并提高外業控制點的可靠性。

像控點布設之后，使用GPS RTK與測量基準點對點后，測量像控點坐標。最后利用大疆M300 RTK多旋翼無人機按照一定的航攝規則快速采集施工現場數據。

此外，為確保拍攝到的航空攝影數據的質量，無人機在高速公路數據采集時應注意：測量航空攝影區域內的相應位置，選擇20～30 m2的正常起飛和降落地點，最好是10 m寬、無明顯障礙物的空地。傳感器要保證能夠長時間穩定工作，由于地面環境復雜，因此在使用時必須做好防護措施。在校準過程中，不能選擇強磁場(如金屬礦山和鋼鐵密集區)進行校準；路線規劃應考慮到實際情況、持續時間和無人機壽命的速度，以規劃一個全覆蓋航攝區域的課程。

無人機技術對高速公路進行數據采集，首先需要收集施工現場的相關資料，并且進行現場勘探，確定無人機的航攝方案。

2.2 數據處理

無人機采集數據的處理主要包括初始化處理、像控點刺點、空三加密和數字成果生成。

(1)初始化處理：通過航攝影像數據的特征點提取和匹配，生成稀疏三維點云，并檢查相機校正參數、特征點提取和匹配效果及數據完整性。

(2)地面控制點刺點：通過刺點，可以將地面控制點的三維坐標信息添加到處理方案中，作為求解區域網平差方程的輸入。

(3)空三加密：通過區域網平差中的一些地面控制點坐標，對相片的內方位元素和外方位元素進行反向解算，然后對物方上的點的三維坐標進行正向解算。

(4)數字成果生成：基于三維點云加密的三維網格紋理重建生成三維模型；用于地形擬合的DSM；用于正投影糾正和影像拼接DOM。

數字地表模型(DSM)：數字高程模型是一組數字，表示地面在高程上起伏的形狀。它由地形點和DEM數據組成，可以在計算機上自動生成等高線或曲面；能反映出各種不同類型地物及它們之間相互關系，也可用來建立三維場景并顯示其空間分布特征。透視圖、斷面圖、工程土石方計算、表面覆蓋面積統計等可用于高程相關地貌形態分析。

數字正射影像圖(DOM)：利用航空相片、遙感影像和像元糾正將圖像數據裁剪成圖像的比例。是以數字圖像處理技術為基礎，通過對大量像片進行處理而得到的一種新的成圖方法。它將傳統的地圖制圖與遙感信息綜合在一起，實現了地籍圖的數字化表達。信息量大，直觀，可判讀性和可量測性好。它可以用來直觀地識別地表情況，并測量幾何信息，如長度和面積。

三維點云和模型：通過測量儀器獲得的物體表面點數據的收集稱為點云，而三維點云模型，包括三維坐標和顏色信息，是根據攝影測量原理的原理獲得的。在此基礎上利用這些特征進行目標檢測、特征提取和識別。它可以用來提取構筑物尺寸和空間位置信息的信息。

綜上分析，無人機技術在高速公路中的數據采集與處理流程。

本研究使用Pix4D等專業數據處理軟件，對無人機采集到的傾斜數據，經過傾斜圖像校正、傾斜攝影區域網聯合平差、傾斜攝影密集匹配、數字表面模型生成、正射影像糾正和三維建模來進行數據處理，最后生成DSM(數字表面模型)、DOM(數字正射影像圖)、三維模型等多種成果。

3 數據分析

依據上述數據處理成果，可以看到K258+400～K259+030右側三級路塹邊坡的施工現場與設計圖紙的偏差為：坡口線局部有大偏差，可能是由于原地表有茂密植被的影響；無人機坡率測值總共有13個，其中與設計坡率差值大于1∶0.05的有9個；無人機坡高測值總共有13個，其中與設計坡高差值大于0.1 m的有12個；無人機平臺寬測值總共有8個，其中與設計平臺寬差值大于0.1 m的有0個；一級坡面有裂縫、坡面有危石；三級平臺有大量浮石。

將正射影像與設計圖紙融合后直觀顯示，無人機獲取的坡口線(黑色線)與設計坡口線(灰色線)位置大部分重疊，但局部存在大偏差，可能是由于原地表有茂密植被的影響。

為了實現無人機的智能化管理，通過數據處理生成的正射影像和三維模型，結合已有的設計圖紙，對施工現場進行智能化管理。從K258+500橫斷面起，沿邊坡縱向按100 m間距選定5個橫斷面，樁號分別為K258+500、K258+600、K258+700、K258+800、K258+900，并提取出4個橫斷面的三維坐標和幾何尺寸，得出各個橫斷面的“無人機切面”坡率、坡高及平臺寬。

表1 無人機采集到的各切面坡率與設計坡率對比

表2 無人機采集到的各切面坡高與設計坡高對比

表2(續)

表3 無人機采集到的各切面平臺寬與設計平臺寬對比

由上可知，將無人機采集到的數據進行處理之后，可以看到建設項目施工現場的實際情況，管理者可以及時對施工現場情況做出管控，將相關指令下達給現場管理人員，及時進行整改糾偏，實現施工現場的智能化管理。

4 結 論

研究了無人機技術在高速公路建設項目管理中的應用，以廣西賀州至巴馬高速公路為依托，對K258+400～K259+030右側三級路塹邊坡展開深入研究。無人機采集施工現場的數據，經處理之后，可以得到施工現場的實際影像。管理者可以通過影像對施工現場進行實時監測，實現高速公路的智慧化管理。