无人机影像在高速公路检测中的应用分析

2019-01-19何涛

中国设备工程 2019年20期

何涛

（中咨公路养护检测技术有限公司，北京 100089）

无人机影像技术是通过利用通讯技术、GPS 差分定位技术和遥感应用技术，对高速公路的交通情况、道路养护和建设情况进行实时监测分析的一种新型应用工具。相较于传统的高速公路检测工具，无人机影像技术具有压倒性的优势。无人机技术为其提供了高空俯瞰视角，不仅具有了更加广阔的拍摄范围，在数据采集的实效性与准确性上也有了新的突破。无人机上搭载的高清摄像机，可以快速获得拍摄区域的高分辨图像资料和大比例图像。再加上高速的信息网络，实时更新道路情况成为可能。

1 无人机影像技术作业的主要流程

1.1 前期准备

在对高速公路进行无人机影像道路作业时，工作人员应解决好无人机起飞的准备工作，确保执行现场无人机航飞作业可以顺利实施。前期准备应当收集好测区内自然地理环境概况信息。充分了解有记录的测量报告，协调好区域内交通通行情况，坐标登记已有控制点，整理相关坐标信息资料。确认测区地形地貌以及相关的气候环境，以便后续的无人机航线设计和路线计划。

1.2 航测的主要步骤

根据项目任务书初步设计无人机航线走向，制作KML 文件。无人机航测系统依照KML 文件进行飞行测量。航拍工作前需要先确定航拍区域矩形四角的84 坐标，通过已确认的坐标确定航测区域。在确认航拍的区域后，相关工作人员需要对航拍的工作现场进行勘测，主要包括飞行区域，无人机起降点和是否存在空中管制。在结束对飞行现场的勘察后，技术人员就可以对无人机进行航线规划。在无人机航线规划中主要需要解决无人机飞行航线问题，不同地形地势高度所对的无人机飞行作业高度问题以及飞行架次问题。在无人机航拍服务中还需要包括对无人机任务载荷设定。然后就是执行飞行、成果检测和后期制作。

1.3 无人机航测中的关键注意点

（1）航测任务规划。由于高速公路受相关地形影响较大，而高速公路航测精度要求的一般较高，所以在为了即满足航测精度要求，又同时避免发生无人机事故，如何选择划分架次就成了是否能圆满完成航测任务的关键点。我们一般根据地形起伏情况选择预定飞行高度，一般以100m 为跨度，划分无人机飞行相对高度。

（2）人机硬件选择。航测任务受自然地理因素影响，对无人机硬件要求很高。对待不同的检测情况应当着重分析自然状况对检测机器的要求，预防可能由于自然条件导致的飞行事故。在解决好航测设备的选择后，我们还应当对整个系统的协同工作能力进行评定。高速公路无人机检测采用的是低空无人飞行器测绘遥感系统。该系统由任务设备系统、地面导控软件和数据处理系统三部分组成。为了达到预定目标，三类系统具体产品的选择搭配工作，也是顺利进行无人机航测的重要前提。

（3）具体技术要求。无人机航测结果是否能够成为检测高速公路的有效数据，需要通过标准化的数据可靠性检验。在此，笔者仅代表自己提出一些标准。

航测比例应为1：500 的图幅比例地形图，相对飞行高度300m；测区大小应有0.5 平方公里重叠；建议使用WGS84 坐标；精度要求为像控点个数达到18 个；像控点与测区外围最大间距控制为450m。

影像要求为真彩色数字影像，航测所拍照片要求色彩均衡，明亮度、饱和度、对比度良好。对地分辨率以6cm 计算；像对地之间的连接要求无缝、自然，灰度接边基本保持一致；航片倾角不大于4 度，数码相机旋偏不大于12 度。

1.4 内业数据处理

内业数据处理是区分无人机影像技术是否能够成为高速公路检测最终结果的最后一步。当前市场内部数据的处理主要是由商业软件完成，这里我们以Pix4Dmapper 为例，简要介绍一下内部数据处理模块。

首先是原始数据的准备工作，包括航拍所得的影像数据、POS 数据以及像控点数据。对数据进行选择，剔除其中不符合标准的数据。整理数据源，调整数据使之有效。建立数据处理工程，导入POS 数据，并设置POS 数据坐标系。

利用像控点编辑器在相册中剌出控制点，结合已有的POS 数据进行空中三角测量运算。在提高分辨率和准确性方面，可以通过三维点云技术提高DEM 与DOM 的精确性。在完成空中三角测量后，进行操作DEM 获取和正射影像生成，合成高速公路的初步道路信息图，并调整扭曲、错位的部分图像拼接问题。

2 无人机影像技术在高速公路检测应用中的优缺点

2.1 优势

与传统的高速公路检测方法相比，无人机影像具有以下有优势。

（1）低廉的检测成本。小型无人机的市面价值大多只需要几万元，而相机再加上光学镜头也仅需数万元即可，其日常维护相对简单。根据相关数据，无人机影像技术相较传统数据获取方式，成本仅为其1/10。

（2）精确的工程计算。无人机技术的出现是电子技术与信息化的产物，是智能化的产物，通过无人机搭载的激光雷达扫描设备，我们可以准确地还原测区内的地理地貌，通过数字化的手段精确测量，迅速准确。

（3）强大的机动能力。无人机对环境具有较强的适应能力，可以迅速收集所需数据。且无人机影像技术可以针对高速公路的不同情况进行不同层次检测，只需要通过对搭载的高清摄像头进行调整就可以完成不同层次需求的作业。

（4）高清还原的地貌影像。当前市面上的专业民用数码相机已达到了8000 千万像素的水平。通过无人机影像技术获取的全景数字化地形测绘图，再加上1：500 的高清彩色正射影像图，两者对比能够清晰地反映高速公路路线地面沿线情况和沿线的地形地貌。

（5）经济的测绘时间。传统的航测手法难以获取的彩色高清影像，且其审批工作艰难，一般周期多在三个月以上，但使用无人机影像技术对高速公路进行检测的时限大大缩短，往往几天就可以完成以往数月的工作。

（6）低标准的条件要求。无人机影像技术检测高速公路所需条件简单，以多旋翼无人机为例，多旋翼无人机仅需要一块较为平坦的空地就可以开始检测作业，甚至在条件不便的情况下，可以采用弹射起飞。无人机可以弥补卫星在特殊天气下无法实现有效抓捕的限制，它可以适应较为激烈的机动作业和相较恶劣的自然环境，不受天气地理条件影响。

2.2 缺陷

虽然无人机影像技术在检测高速公路中具有非常好的应用前景，但其本身受限于技术原因仍有一些缺陷需要改进。例如：GPS 定位较差，受信号传输的影响，无人机在接受GPS信号时难以获得稳定的GPS 信号，致使无人机航拍所得的有效面积较小；我国目前在高速公路检测领域所用的无人机基本上属于小型和超轻型无人机，由于受质量原因，在工作环境中常常受到气流影响，姿态稳定性差，拍摄的相片旋偏角和航偏角难以控制；由于我国无人机检测高速公路的应用还处于初级阶段，检测工具也往往比较简陋，多为民用工具，无法达到专业级别，这对后期的图像处理产生了不利影响。

3 探讨与分析

针对无人机在高速公路检测实际应用中存在的问题，文章对此进行讨论，并为其提出一些建议。

我国无人机技术已经达到了世界领先的水平，如何将无人机技术完美地融合入日常时间工作是我们需要思考的问题。首先考虑现行的无人机专业化问题，在当今的无人机高速公路检测领域，运用无人机还属于局部的、自发性的行为，没有相关规定辅佐无人机检测技术发展。作为相关工作者，我们应当清晰意识到无人机影像检测技术可能带来的推动作用，深刻分析无人机影像技术的发展前景，以积极的态度推进无人机影像检测技术的发展。将我国高速公路检测从传统检测推向无人机影像技术检测，再到专业化的无人机影像技术检测。将无人机检测从民用阶段推动之至专业化。

对待GPS 定位问题，我们应当对未来充满信心，随着通信技术的进步，5G 时代的到来，大数据通信方式发生深刻改变，这将更加有利于无人机高速公路检测事业的发展。