无人机在高速公路行业的应用探索

2023-03-21陈志涛陆艳铭

交通科技与管理 2023年4期

陈志涛,陆艳铭,李朋

（云南省交通规划设计研究院有限公司,云南昆明 650041）

0 引言

近年来，无人机深入广泛地应用，给警用消防、电力巡检、国土测绘、应急救灾、环保监测等方面带来了便利性，与此同时在这些行业的成熟应用也促进了无人机行业的大发展。从统计局发布的报告来看，截至2018年年底，全国高速公路里程已达14.3万公里，位居全球第一，而且高速公路建设的脚步也并未停止，通车里程在逐年增加。如此巨大的高速公路市场也面临着建设、管养、运行等方面的问题，而无人机在高速公路的应用会有效地缓解或者解决相关问题[1]。该文意在探索无人机在高速公路行业的应用，促进高速公路在“建管养”方面更为智能、高效。

1 在建设过程中的应用

1.1 公路选线

在高速公路规划设计阶段，可以通过无人机采集丰富的地理信息，运用倾斜摄影技术和三维建模技术，生成包含地理信息的三维模型，设计人员可以在此三维模型的基础上测量实地的距离、面积、填挖方体积等，因此可以得到一个更为合理的规划选线方案。

1.2 勘察设计

高速公路传统的勘察设计方法较为复杂，工作量较大，需要工作人员跑遍整个测绘区域，而且较为危险。无人机航测可以有效避免上述问题。通过RTK设备在测绘区域做少量相控点，无人机采集带有GPS数据信息的影像数据，运用Smart3D等软件工具生成三维实景模型，在模型生成过程中，通过相控点进行纠偏，使模型达到预期的精度。Smart3D软件可以生成DEM、DSM、DOM等航测成果，基于三维模型运用EPS等软件可以生成地形图。相关的文献表明，无人机航测结果的精度完全满足公路设计的要求，相比传统的测绘方法有着工作量小、时间快、精度高、成本低等优点。如图1所示，无人机测绘流程。

图1 无人机测绘流程

1.3 设计方案模拟

设计方案模拟。目前高速公路所有的设计方案最终成果表现为二维平面的电子图纸，不能给人以直观的感受，也不便于方案评审研讨。通过无人机的倾斜摄影和三维建模技术，生成三维实景模型，如图2所示，将人工建模的三维模型叠加到三维实景模型中，最终做出真实、直观的三维模型。基于此模型，业主、施工单位、设计单位可以更为方便的探讨设计方案，最终产出的设计成果更符合各方面的预期[2]。

图2 陆地气象交通灾害防治技术国家实验室1∶500模型

1.4 施工过程监控

施工过程监控。在施工现场，可以通过无人机搭载高清摄像头进行航拍，如图3所示，从不同角度来查看施工情况，同时无人机的视频图像可以回传至监控中心，监控中心多个人员可以共同查看施工进展、施工安全状况等，通过此手段，可以规范施工人员的工作行为，并可以提高施工人员的安全施工意识。无人机可以飞行至特大桥、隧道洞口等人工不方便观察检测的地方，拍摄存在相关问题的施工点，待后期通过相关软件来发现、分析存在的问题，保证施工有序进行。无人机可以搭载五拼镜头，对施工现场进行航测，生成的三维模型结果可以和BIM模型进行对比，分析相关尺寸偏差和工程进展情况。

图3 无人机航拍施工现场

2 在管养过程中的应用

2.1 应急指挥

应急指挥。在高速公路发生交通事故后，对于工作人员在第一时间全面掌控现场情况显的至关重要。同时也存在一些特殊情况，在交通事故发生以后，造成交通严重拥堵，救援人员和车辆无法抵达现场，不能对现场情况进行有效评估，此时无人机的灵活性和机动性等特点完全展现出来。如图4所示，通过无人机搭载扩音器，可以对拥堵地段进行喊话疏导，对事故现场的工作人员下达指挥指令，大大提高解决事故的效率。无人机可以搭载高清摄像头，第一时间抵达现场，并且将实时的视频数据回传至指挥大厅，给领导的指挥调度决策提供科学的支撑，促使交通更快的畅通。

图4 利用无人机对交通状况进行监控取证

2.2 日常巡检

日常巡检。目前高速公路运营单位工作人员会对高速公路定期巡检，存在着巡检工作量大，效率低等问题，尤其在桥梁下高边坡等地方通过巡检的方式很难发现相关问题点。通无人机采集高速公路的正射影像数据，通过相关软件进一步分析可以发现高速公路的相关设施情况、路面破损情况、周边绿化情况，相关的管理部门可以及时的采取相关的措施，做到有效防范，防止损失扩大，并保障驾乘人员的行车安全。发生自然灾害，高速公路相关路段或者相关设施被破坏，通过无人机结合测绘技术可以对事故灾害进行有效的评估，而且也为灾后重建提供了数据支撑。具体效果如图5所示。

图5 无人机巡检

2.3 结构物检测

结构物检测。在桥梁检测方面，人工检测不仅效率低、难度大、危险系数高，而且检测精细度远远不够，而无人机技术的应用，将在很大程度上解决了这一难题[3]。如图6所示，无人机可通过相机、激光雷达等控制设备完成桥梁底面、柱面及横梁等结构面的拍摄取证，同时还可以进行桥梁整体的三维建模，通过模型来测算桥梁的外在结构，供专业人员分析桥梁状态，及时发现险情，可极大减轻桥梁维护人员的工作强度，提高桥梁检测维护效率。在边坡检测方面，同样可以通过无人机及相关设备检测边坡的斜率以及冲沟等问题。在交通标志检测方面，可以通过无人机进行交通标志的识别，检测标志是否缺失等相关内容。

图6 无人机桥梁检测

3 无人机应用实践

3.1 昆楚高速读书铺服务区三维资产管理

读书铺服务区位于昆明市安宁市太平新城街道，G56杭瑞高速昆安高速公路路段，里程桩号K23+600，目前是云南省最大、配套最为齐全的服务区，同时也是滇西方向经济、运输、旅游的高速公路第一窗口。

利用大疆精灵4RTK无人机，搭载2 000万像素高清的摄像头，集成全新的RTK模块，在晴天环境下飞行，风速低于4 m/s，飞行高度100 m情况下，进行航拍，取得倾斜摄影影像数据。内业通过Smart3D软件进行三维模型构建，通过DP-Modeler软件进行模型修复，最终得到1∶2 000的三维实景模型。模型清晰地展现了服务区建筑、设施、绿化等情况，形成较为全面的服务区三维电子档案。具体效果如图7、图8所示。