无人机在公路工程项目管理中的应用探讨

严　恒，王嘉嘉

(1.云南公投建设集团有限公司，云南　昆明　650032；2.昆明市规划设计研究院，云南　昆明　650051)



无人机在公路工程项目管理中的应用探讨

严恒1，王嘉嘉2

(1.云南公投建设集团有限公司，云南昆明650032；2.昆明市规划设计研究院，云南昆明650051)

文章介绍了无人机在民用领域的应用技术概况，围绕公路工程项目管理的实际需求，分析了无人机航测系统的组成及主要功能，探讨了无人机在公路养护和新建项目中的应用前景，并提出了需要进一步研究的方向，为公路工程项目管理提供决策参考。

公路；项目管理；养护；无人机；航测系统；应用

0　引言

近年来随着电子、机械、摄影摄像等技术的飞速发展，无人机在长航程、传感器小型化、远程控制、航测系统等方面取得了一系列的突破，同时无人机具有快速高效、操作简单、实时获取数据、分辨率高、模块化、定位准确等特点，因此其在电力巡线、森林防火监测、民用领域地图测绘、地质勘测、灾害监测、气象探测、空中交通管制、边境控制、通信中继、抢险救灾、农药喷洒等方面都得到了广泛的应用。但是，无人机在公路行业中的运用较少，因此本文拟通过无人机系统构成、无人机与公路养护、无人机与新建项目等方面来探讨无人机在公路工程项目管理中的应用。

1　无人机技术应用概况

1917年，英国人研制成功了世界上第一架无人机。1991年的海湾战争中多国部队将无人机侦察、有人机侦察、卫星侦察和地面侦察等多种手段相结合组成了全方位立体侦察体系[1]。

在电力系统运用方面，日本关西电力公司联合千叶大学共同开发了一套无人直升机输电线路巡线系统；西班牙马德里理工大学的研究者致力于将计算机视觉技术应用于无人机巡线导航的研究[2]；国家电网公司也投入大量精力研发并建立了专用的飞行巡检系统，并且进行地形图测量和灾难应急响应等工作[3]。

在大地遥感测量方面，2005年由我国研制的高端多用途无人机遥感系统首飞实验成功，2010年国家测绘局开始实施已发布的有关无人机航摄要求的测绘行业标准，包括《数字航摄仪检定规程》《无人机航摄安全作业基本要求》《无人机航摄系统技术要求》等。这一系列的研究成果使无人机在矿山测量、城市规划测量、海岸地形测量等多方面得到了应用[4]。

随着无人机技术的蓬勃发展，其在很多领域也得到了应用。山西农业大学的研究者探讨了无人机对森林火情监测、预警等的应用[5]。江西省基础测绘院的工程师介绍了利用无人机对省级园林城市绿化遥感测定后进行绿化分类、信息提取等方法[6]。贵州地矿测绘院利用无人机在地质勘查和地质灾害中进行应用[7]。

在无人机新技术方面，国家测绘地理信息局的研究者分析了DLG产生方法，运用外业实测数据检测了DLG成果精度情况[8]；海军航空工程学院的研究者对无人机携载合成孔径雷达遥测系统进行了研究，其军用和民用价值巨大[9]。华南理工大学的学者基于数据融合技术对无人机自主导航与控制，尤其是高度控制进行了深入研究[10]。

无人机在土木工程中的应用还不多，重庆交通大学的王小莉对桥梁检测的四旋翼飞行器的控制系统进行了研究，主要包括动力学模型、姿态估计系统、PID控制系统等，最后对系统进行了测试，遗憾的是作者并没有开发出数据处理系统，无法达到桥梁检测的要求[11]。内蒙古师范大学的学者对3S技术在高速公路中的应用进行了研究，其中就包含无人机影像的获取与处理、填挖方工程量计算等内容[12]。中国公路工程咨询集团的刘晓东对无人机数据采集系统在公路养护中的应用进行了展望，认为其规模化发展潜力巨大[13]。交通运输部天津水运工程科学研究院环境保护技术研究中心的胡健波提出一种基于无人机航拍技术和计算机图像处理技术的公路绿化效果快速检定技术，与局部样方相结合，可以实现客观、准确、定量的公路绿化效果检定[14]。交通运输部公路科学研究院的黄裕婕基于无人机对公路滑坡预警应急系统进行了设计，有利于在滑坡灾害发生时快速了解灾情，为应急救援、灾情评估、灾后重建等决策提供技术支持方案[15]。昆明公路管理总段的李兴华等利用无人机航测技术对公路路堤和崩塌进行快速测量，获取3D数字信息，为公路维护管理提供及时有效的资料[16]。

综上所述，无人机技术在军事，电力、测绘等行业运用最多，而在公路工程领域虽也有一些运用，但是深度和广度还不够，基本都处于初步尝试阶段，因此有必要对无人机在公路工程中的深入运用进行探讨。

2　应用于公路工程的无人机系统组成

2.1系统组成

云南省地处低纬度高原，公路所经过的区域山川、河流密布，沟壑纵横，高差变化明显，因此适应于公路工程项目管理的无人机主要由动力系统、续航系统、地面控制导航系统、图像采集系统、视频采集系统、数据传输系统、数据处理分析系统、数据共享分析平台等主成。

无人机一般分为固定翼和旋翼两种类型，固定翼需要跑道，旋翼只要有空旷场地即可起飞，为了满足实际需要，无人机的动力系统需要实现悬停时间长、抖动小的目的，以便可以定点观测，并且保证采集的画面不模糊，便于后期分析。

云南省公路穿过的区域地形地貌复杂，为了保证无人机每次能采集到足够的数据以供分析，亟需对当前无人机采用的电池系统进行改进，在燃料电池、太阳能、新型锂电池等方面进行创新，开发出长续航系统。

无人机的地面导航系统主要由飞行控制软件组成，主要对无人机的航迹进行规划，使用本公司开发的应急抢险监测车作为载体，依托其强大的数据处理能力，建成导航数据库和高程信息数据库，保证无人机巡航的准确，实现对无人机的远距离跟踪、控制、回收，可以对飞行数据实时管理，在应急抢险监测车搭载的高清显示屏上对无人机位置进行自动漫游追踪。无人机执行完任务后即可对其续航系统进行充电，保证了任务执行的可持续性。

无人机的图像采集系统主要由高精度扫描相机、工程级防护罩、设备安装稳定支架、图像采集控制软件等组成，实现采集到的图像清晰，满足地形图等的要求，便于技术人员分析。

无人机的视频采集系统主要由高精度扫描摄像头、工程级防护罩、设备安装稳定支架、视频采集控制软件等组成，实现采集到的视频清晰、稳定，便于技术人员分析。

无人机的数据传输系统完成对地面导航系统发送指令的接收与响应，实现遥控、图像、视频大量数据传输，达到远距离、低时延、低误码率的目标，保证信息反馈的及时有效性。

无人机的数据处理分析系统：首先是对传输回的图像、视频等进行视觉分析、景象匹配，消除以下三个常见问题：(1)无人机飞行产生的影像抖动；(2)飞行角度高度变化导致目标对象的坐标移动；(3)采集数据的实时性带来的对分析软件的高要求等不利因素。其次，实现公路路面使用状况的自动识别，例如路面裂缝、坑槽等病害，并进行统计分析。

无人机的数据共享分析平台：对地面控制导航系统中采集到的各类数据应能实时回传到主控制中心(集团公司总部)，实现无缝网络连接、平台数据库回溯、网络访问、远程网络控制等功能。同时与本公司开发的公路养护管理与应急抢险在线平台相衔接，保证养护向着科学化和精细化方向发展。

2.2系统总体功能

本系统的主要功能在于通过将无人机低空遥感技术、图像处理采集技术、导航技术，网络平台等进行集成，建立可应用于公路工程项目管理的精准、可视化的无人机+平台，多种检测模块可以组合，实现快速掌握工程施工情况，与现有控制手段有效补充，为工程项目管理探索新的方向。

3　无人机在公路养护中的应用

无人机在公路养护中有着广泛的应用前景，利用无人机采集数据的高精度、实时性和灵活性，可以将其应用在桥梁检测、路面检测和应急抢险等。但是目前也有一些亟待解决的问题：

(1)在桥梁检测方面应解决无人机飞行稳定性、精确移动问题，实现对检测对象视图的三维重现等。

(2)在路面检测方面应确定无人机的合理飞行高度和速度，实现道路几何参数测量、车辙扫描、平整度测量、路面精细扫描、路面病害识别与分类评级等目标。

(3)在道路应急抢险方面，与行业相关单位开发的公路养护管理及应急抢险在线平台相结合，对高速公路边坡崩塌、滑坡等突发情况进行及时追踪，为灾害严重程度及损失情况评估提供及时有效的图像数据资料，加快应急响应力度。

4　无人机在公路新建项目中的应用

随着路网的进一步完善，公路工程新建项目所处的区域大多位于山区，而利用无人机的低空飞行及数据采集功能，可实现场站位置选址、施工复测等目标，但仍有一些方面亟待进一步的细化研究：

(1)场站选择：利用无人机沿路线走向对区域进行全面航测，分析采集到的数据选定可以作为驻地、拌合站、预制场等的场地，同时对场地面积进行预评估及三维视图重现。

(2)复测：目前测绘部门已利用无人机进行地形图测量，但是亟需提高地形起伏较大区域的测图精度，实现控制点测量与三维视图重现，便于优化设计方案。

(3)征地拆迁评估：对公路路线走向涉及征地拆迁的房屋、林木等进行拍摄，识别并计算征地范围内的房屋面积，并对林木数量进行分类识别，以便准确评估征地拆迁工作。

(4)选择合适取弃土场及石料场：对路线范围内周边区域进行航拍，并实现三维重现，对运距及料源规模进行初步分析与评估，便于快速确定。

(5)定期对工程进度进行跟踪观测，掌握进度情况，实现对安全隐患点的识别预警。

5　结语

随着遥感技术、电子技术、通信技术、机械技术、材料技术等的快速发展，无人机在民用领域将产生越来越大的作用，同时伴随着创新驱动发展战略、互联网+、智能交通等的实施，无人机技术在公路工程项目管理中的应用将会越来越广泛，有效提高了工作效率，也为公路工程项目管理探索了新的方向。

[1]赵峰.基于无人机影像的景象匹配系统设计与实现[D].沈阳：东北大学，2010.

[2]李力，徐勋建，李波，张红先，方针.架空线路无人机巡线技术探讨[J].湖南电力，2012，32(1)：44-47.

[3]吴冰莹，戴礼豪，林朝晖.大型无人机在复杂环境下电力巡检研究[J].科技创新导报，2014(28)：26-27.

[4]李永树.基于无人机技术的地形图测绘研究[J].测绘，2011，34(4)：147-151.

[5]崔新宇，刘艳萍.关于无人机在森林防火监测方面的研究[J].科技与创新，2014(7)：128-130.

[6]陈欣松.利用无人机技术对省级园林城市绿化测定的研究分析[J].数字技术与应用，2013(10)：71-72.

[7]邵金强.浅述无人机及其技术在地质工作的应用[J].黑龙江科技信息，2014(7)：125-126.

[8]姜丽丽，高天虹，白敏.无人机影像处理技术在大比例尺基础测绘工程中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2013，36(7)：174-176.

[9]曲长文，周强，王颖.无人机载合成孔径雷达遥测技术[J].舰船电子工程，2009，29(1)：23-27.

[10]李洪辉.数据融合技术在无人机高度测量中的研究应用[D].广州：华南理工大学，2012.

[11]王小莉.面向桥梁检测的四旋翼飞行器控制系统研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[12]李海瑞.高速公路测量中”3S”技术在验证与设计上的实现[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2014.

[13]刘晓东.无人机数据采集系统在公路养护中的应用展望[J].公路交通科技(应用技术版)，2015(4)：16-17.

[14]黄裕婕.公路路域生态环境遥感调查运行系统的初步建立[J].公路交通科技(应用技术版)，2010(10)：347-349.

[16]李兴华.无人机航测技术应用于公路崩滑陡峭地段测量分析[J].公路交通技术，2012(8)：49-53.

Discussions on the Application of UAVs in Highway Engineering Project Ma-nagement

YAN Heng1，WANG Jia-jia2

(1.Yunnan Gongtou Construction Group Co.，Ltd.，Kunming，Yunnan，650032；2.Kunming Urban Planning & Design Institute，Kunming，Yunnan，650051)

This article introduced the application technology situation of UAVs in civilian areas，and regarding the actual needs of highway engineering project management，it analyzed the composition and main functions of UAV aerial survey system，discussed the application prospects of UAVs in highway maintenance and new projects，and proposed the directions for further research，thereby providing decision-making reference for highway engineering project management.

Highway；Project management；Conservation；UAVs；Aerial survey system；Applications

U415.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.028

1673-4874(2016)08-0109-06

2016-06-12

严恒(1985—)，工程师，硕士，研究方向：沥青路面养护；

王嘉嘉(1985—)，工程师，研究方向：市政园林设计技术。