无人机在高速公路边坡日常养护巡查中的应用

吕梦　谢亮　高昆

【摘 要】根据无人机的特点和高速公路边坡日常养护巡查的特点，从无人机机型选择、航摄质量、边坡类型等方面综合考虑，提出了利用曝光估计来调整相机参数来保证质量提高实用性，同时制定了无人机边坡养护巡查方案，通过实验验证了方案的可行性；同时实验结果表明能提高工作效率、降低工作强度。

【关键词】无人机；高速公路边坡；养护巡查

中图分类号： S157；U415；V19 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.062

随着科学技术和航空工业的快速发展，无人机的性能不断提高、功能日益完善，无人机被广泛应用于电力、石油、农业、通信等多个领域。边坡作为山区高速的重要组成部分，其养护巡查一直是道路巡查工作的重点和难点。目前边坡日常养护巡查主要依靠人工巡查，危险性高、劳动强度大、耗时费力，且部分边坡由于地形、工具等限制容易形成巡查盲点。为此，本文對无人机在边坡日常养护巡查中的应用进行探讨，以期能够提高巡查工作效率、降低危险性，对无人机在巡查中的实际应用提供参考。

1 无人机巡查平台选取原则

目前，市场上的无人机主要以固定翼和旋翼无人机为主，而近几年，垂直起降无人机的数量也在逐步增多。

本文在选择边坡巡查的无人机机型时，主要考虑无人机工作环境特征、执行的任务需求、操控性以及性价比四个方面。

（1）环境特点。高速公路边坡日常养护巡查是一个常规性的工作，不会封锁道路或者限制车辆通行。高速公路是全封闭的，能提供给无人机飞升、降落的场地非常有限（一般情况下，只有应急车道可用）。同时，高速公路边坡周边环境复杂、户外气候多变，要求无人机具有很好的灵活性。

（2）任务特点。边坡巡查范围小、内容多，不仅要查看边坡及其周围环境的整体情况，还需查看如截水沟、排水沟等设施的具体情况，需要无人机满足空中悬停、近距离拍摄等要求。

（3）可操控性。高速公路日常养护巡查人员几乎都不具备无人机操控的经验，高速公路养护部门需要组织巡查人员学习无人机的相关操作。因此要求无人机操作需尽量简单、容易掌握，以免花费巡查人员更多的时间和精力。

（4）性价比。无人机应用于边坡巡查时，除考虑其性能是否满足巡查要求，还应该考虑其成本。无人机价格太昂贵不仅会加大养护资金的投入，还会给巡查人员带来心理压力，所以需结合需求考虑性价比。

综上，本文选用旋翼无人机用于边坡的日常养护巡查。

2 无人机边坡养护巡查应用

由于目前边坡日常养护巡查主要是采用人工方式，缺少边坡病害的图片，加上目前还没有一套对边坡病害进行量化的判断标准。因此，本文提出的巡查方案主要是基于人工分析图像的方式。

2.1 航摄质量控制

通过无人机系统采用航空摄影的方式获取的高速公路边坡图像是巡查人员对边坡状态判读的重要信息源，其质量的好坏会直接影响后续巡查人员对边坡状态判读的准确性。因此，航摄质量对于边坡巡查至关重要，制定航摄方案时需考虑对航摄质量的控制。航摄质量控制主要分为摄像质量控制和飞行质量控制。

2.1.1 摄像质量控制

相机是利用光学成像原理形成影像并将其记录的设备，曝光是影像再现的前提。曝光是在拍摄时被拍摄物体反射出来的光线进入镜头照射在感光元件上的光量，由光圈、快门和感光度共同控制。

高速公路边坡是裸露于自然环境中的，无人机航摄系统对边坡的图像采集属于室外摄影，故太阳光是拍摄的主要光源。影响太阳光地表照度的因素有很多，主要包括天气、时间、季节、投射方式以及地域，但具有较强的规律性。

航片拍摄的质量受到多方面因素的影响。为了提高在边坡巡查中的实用性和可操作性，可借鉴摄影师们经过长期的实践经验得出的黄金曝光律，结合太阳光照强度的变化规律对曝光组合进行调整。

2.1.2 飞行质量控制

利用无人机巡查应避免采集区被遗漏的情况，保证采集的影像不会出现动态模糊并能够对边坡状态进行判读。主要从重叠度、影像移值、地面采样间隔对其进行控制以保证质量。

（1）像片重叠度

在航空摄影的航线中，所有相邻的相片之间都应该具有一定的重叠度，从而保证航摄像片能够重叠覆盖整个航摄区域，以免出现“航摄漏洞”。“航摄漏洞”分为未被像片覆盖的“绝对漏洞”和虽然被覆盖但没有达到所要求重叠度的“相对漏洞”。目前主要用于人工判读，对航摄像片的精度要求不高，只需要保证不出现绝对漏洞的情况。

（2）影像移值

不同于普通的地面摄影，航空摄影中由于晃动、无人机的运动等使得在对地物拍照的瞬间，拍摄的物体和感光元件之间存在相对移动。地面点的像点变成一条直线而不再是一个点，像移会造成图像质量退化，导致图像的分辨率下降，因此需要控制位移值的大小以保证拍摄像片的质量。

（3）地面采样间隔GSD

目前无人机一般携带的成像设备是数码相机而不是胶片相机，鉴于数码相机与胶片相机成像原理的不同，传统的“镜头焦距/摄影比例尺=航高”的计算公式不再适用于数码航空摄影。采集的数字影像分辨率采用地面采样间隔（GSD）来描述的。数字航空摄影中，地面采样间隔、航高、像元尺寸和相机镜头主焦距之间存在关系[2]：

GSD=（1）

式中，H表示无人机的航拍高度；f表示相机的镜头焦距：μ表示感光元件中像元的物理尺寸。需要注意的是式中的飞行高度是无人机距离航摄分区平均基准面的相对高度。GSD的选取直接决定了无人机采集的边坡图像能否满足巡查人员的对于边坡判读的要求，也关系到航摄方案中一系列参数的设置。

2.2 航摄具体方案

2.2.1 拍摄方式选取

（1）边坡分类

不同的地质条件、不同的工程设计使边坡具有不同的形式和特征。在高速公路边坡建设中，一般当边坡高度超过20m时，为保证边坡的稳定性会在边坡的坡面上沿纵向做成一定宽度的平台，形成了多级台阶状的边坡。无人机进行边坡巡查时，更注重于边坡的外形结构。

（2）拍摄方式选取

高速公路边坡坡面比较平整，凹凸起伏较小。但不少边坡上设有排水所需的截水沟，目前截水沟断面形式一般都被设计成梯形或矩形，沟底平行于路面，呈现“凹”陷状。因此本文在利用无人机进行图像采集时，将坡面和截水沟分开进行。

2.2.2 航摄参数設置

（1）航高

相机云台是搭乘在无人机上进行作业的，主要通过控制无人机的航高来改变相机的拍摄距离（相机参数调整结束不变）以保证合乎要求的GSD，所以将相对航高作为无人机在边坡巡查过程中的状态监控指标。由航拍高度与GSD的关系，可知航拍高度即为摄影物距D。相对航高H相对可由摄影物距计算得到，采取不同航线，相应的相对航高计算方法也不相同。

2.2.3 航线分类

（1）非台阶状边坡

非台阶状边坡的坡面倾斜角一般不变或者变化不大。对于未设截水沟的边坡，整个边坡的表面相当于一个完整平面，则不需要划分航摄区域。对于设有截水沟的情况，坡面和截水沟需要分开采集。

（2）台阶状边坡

台阶状边坡外形类似于台阶，整个坡面是由各级“台阶”的侧面和顶面组成。航摄时将坡面按“台阶”拆分成一个个小平面，分为与路面有一定夹角的侧面和平行于路面的顶面。

当各级坡面的倾角相同时，即β1=β2=β3=β，无人机拍摄时相机镜头可以保持相同的倾角θp完成整个坡面的拍摄；当各级坡面的倾角不相同时，即β1≠β2≠β3，无人机每巡查完一级坡面则需要调整相机镜头的倾角。拍摄时，尽量使相机镜头主光轴与坡面相垂直。按照一定的重叠度使航线的方向与道路的走向一致。

3 实例验证

通过对比目前市场上主流无人机航摄平台，本文选择了大疆无人机“悟”Inspire 2对汉宁高速公路中桩号为K1308+450的边坡进行养护巡查实验。汉宁高速边坡K1308+450位于宁强至洋县段，海拔为420米，周围无电线、通信基站等设施，坡面有少量植被覆盖。此边坡为台阶状边坡，共有五级台阶，边坡整体高为41m、坡脚约为45°。航摄实验在春季进行的，边坡海拔高度为420米、纬度为33°，实验当天多云。在相机感光度ISO 100不变的情况下。

根据实验结果可知，利用无人机采用本文提出的巡查方案可以辅助巡查人员实现边坡巡查工作。相对人工巡视来说，工作效率提高了43.5%。同时，巡查人员表示大幅度减轻了他们爬坡的工作强度。将每处边坡的桩号和经纬度一一对应起来，避免混淆或遗忘，不仅能够将后续边坡日常巡查的记录工作由户外转至室内完成，而且有利于边坡巡查记录的档案整理和信息共享。

4 结语

针对无人机在高速公路边坡日常养护巡查方面的应用进行了详细的探讨，基于人工分析图像的工作模式，本文从拍摄质量和飞行质量两方面进行了探讨，在边坡巡查中根据光照强度的变化，采用曝光估计的方法对相机进行调节，对于室外作业实用性更强。根据巡查需要将边坡分为台阶状和非台阶状，分析各自的特点采用不同的航摄方式。实验表明，无人机可以完全可以满足高速公路边坡日常养护巡查的要求和需要，提高工作工、降低爬坡带来的工作强度和危险性。

【参考文献】

[1]王朝南，孙慕渊.自然光曝光估计的基本方法（上）——影响曝光估计因素的分析[J].照相机，2000（01）：30-31.

[2]王鑫.海岸带、岛礁数字航空摄影质量综合控制与评价[D].郑州：解放军信息工程大学，2012.

[3]吴波涛，张煜，李凌霄，等.基于多旋翼单镜头无人机的三维建模技术[J].长江科学院院报，2016，33（11）：99-103+115.