無人機影像在高速公路檢測中的應用分析

何濤

（中咨公路養(yǎng)護檢測技術有限公司，北京 100089）

無人機影像技術是通過利用通訊技術、GPS 差分定位技術和遙感應用技術，對高速公路的交通情況、道路養(yǎng)護和建設情況進行實時監(jiān)測分析的一種新型應用工具。相較于傳統(tǒng)的高速公路檢測工具，無人機影像技術具有壓倒性的優(yōu)勢。無人機技術為其提供了高空俯瞰視角，不僅具有了更加廣闊的拍攝范圍，在數(shù)據(jù)采集的實效性與準確性上也有了新的突破。無人機上搭載的高清攝像機，可以快速獲得拍攝區(qū)域的高分辨圖像資料和大比例圖像。再加上高速的信息網絡，實時更新道路情況成為可能。

1 無人機影像技術作業(yè)的主要流程

1.1 前期準備

在對高速公路進行無人機影像道路作業(yè)時，工作人員應解決好無人機起飛的準備工作，確保執(zhí)行現(xiàn)場無人機航飛作業(yè)可以順利實施。前期準備應當收集好測區(qū)內自然地理環(huán)境概況信息。充分了解有記錄的測量報告，協(xié)調好區(qū)域內交通通行情況，坐標登記已有控制點，整理相關坐標信息資料。確認測區(qū)地形地貌以及相關的氣候環(huán)境，以便后續(xù)的無人機航線設計和路線計劃。

1.2 航測的主要步驟

根據(jù)項目任務書初步設計無人機航線走向，制作KML 文件。無人機航測系統(tǒng)依照KML 文件進行飛行測量。航拍工作前需要先確定航拍區(qū)域矩形四角的84 坐標，通過已確認的坐標確定航測區(qū)域。在確認航拍的區(qū)域后，相關工作人員需要對航拍的工作現(xiàn)場進行勘測，主要包括飛行區(qū)域，無人機起降點和是否存在空中管制。在結束對飛行現(xiàn)場的勘察后，技術人員就可以對無人機進行航線規(guī)劃。在無人機航線規(guī)劃中主要需要解決無人機飛行航線問題，不同地形地勢高度所對的無人機飛行作業(yè)高度問題以及飛行架次問題。在無人機航拍服務中還需要包括對無人機任務載荷設定。然后就是執(zhí)行飛行、成果檢測和后期制作。

1.3 無人機航測中的關鍵注意點

（1）航測任務規(guī)劃。由于高速公路受相關地形影響較大，而高速公路航測精度要求的一般較高，所以在為了即滿足航測精度要求，又同時避免發(fā)生無人機事故，如何選擇劃分架次就成了是否能圓滿完成航測任務的關鍵點。我們一般根據(jù)地形起伏情況選擇預定飛行高度，一般以100m 為跨度，劃分無人機飛行相對高度。

（2）人機硬件選擇。航測任務受自然地理因素影響，對無人機硬件要求很高。對待不同的檢測情況應當著重分析自然狀況對檢測機器的要求，預防可能由于自然條件導致的飛行事故。在解決好航測設備的選擇后，我們還應當對整個系統(tǒng)的協(xié)同工作能力進行評定。高速公路無人機檢測采用的是低空無人飛行器測繪遙感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由任務設備系統(tǒng)、地面導控軟件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。為了達到預定目標，三類系統(tǒng)具體產品的選擇搭配工作，也是順利進行無人機航測的重要前提。

（3）具體技術要求。無人機航測結果是否能夠成為檢測高速公路的有效數(shù)據(jù)，需要通過標準化的數(shù)據(jù)可靠性檢驗。在此，筆者僅代表自己提出一些標準。

航測比例應為1：500 的圖幅比例地形圖，相對飛行高度300m；測區(qū)大小應有0.5 平方公里重疊；建議使用WGS84 坐標；精度要求為像控點個數(shù)達到18 個；像控點與測區(qū)外圍最大間距控制為450m。

影像要求為真彩色數(shù)字影像，航測所拍照片要求色彩均衡，明亮度、飽和度、對比度良好。對地分辨率以6cm 計算；像對地之間的連接要求無縫、自然，灰度接邊基本保持一致；航片傾角不大于4 度，數(shù)碼相機旋偏不大于12 度。

1.4 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

內業(yè)數(shù)據(jù)處理是區(qū)分無人機影像技術是否能夠成為高速公路檢測最終結果的最后一步。當前市場內部數(shù)據(jù)的處理主要是由商業(yè)軟件完成，這里我們以Pix4Dmapper 為例，簡要介紹一下內部數(shù)據(jù)處理模塊。

首先是原始數(shù)據(jù)的準備工作，包括航拍所得的影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)以及像控點數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行選擇，剔除其中不符合標準的數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)源，調整數(shù)據(jù)使之有效。建立數(shù)據(jù)處理工程，導入POS 數(shù)據(jù)，并設置POS 數(shù)據(jù)坐標系。

利用像控點編輯器在相冊中剌出控制點，結合已有的POS 數(shù)據(jù)進行空中三角測量運算。在提高分辨率和準確性方面，可以通過三維點云技術提高DEM 與DOM 的精確性。在完成空中三角測量后，進行操作DEM 獲取和正射影像生成，合成高速公路的初步道路信息圖，并調整扭曲、錯位的部分圖像拼接問題。

2 無人機影像技術在高速公路檢測應用中的優(yōu)缺點

2.1 優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的高速公路檢測方法相比，無人機影像具有以下有優(yōu)勢。

（1）低廉的檢測成本。小型無人機的市面價值大多只需要幾萬元，而相機再加上光學鏡頭也僅需數(shù)萬元即可，其日常維護相對簡單。根據(jù)相關數(shù)據(jù)，無人機影像技術相較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式，成本僅為其1/10。

（2）精確的工程計算。無人機技術的出現(xiàn)是電子技術與信息化的產物，是智能化的產物，通過無人機搭載的激光雷達掃描設備，我們可以準確地還原測區(qū)內的地理地貌，通過數(shù)字化的手段精確測量，迅速準確。

（3）強大的機動能力。無人機對環(huán)境具有較強的適應能力，可以迅速收集所需數(shù)據(jù)。且無人機影像技術可以針對高速公路的不同情況進行不同層次檢測，只需要通過對搭載的高清攝像頭進行調整就可以完成不同層次需求的作業(yè)。

（4）高清還原的地貌影像。當前市面上的專業(yè)民用數(shù)碼相機已達到了8000 千萬像素的水平。通過無人機影像技術獲取的全景數(shù)字化地形測繪圖，再加上1：500 的高清彩色正射影像圖，兩者對比能夠清晰地反映高速公路路線地面沿線情況和沿線的地形地貌。

（5）經濟的測繪時間。傳統(tǒng)的航測手法難以獲取的彩色高清影像，且其審批工作艱難，一般周期多在三個月以上，但使用無人機影像技術對高速公路進行檢測的時限大大縮短，往往幾天就可以完成以往數(shù)月的工作。

（6）低標準的條件要求。無人機影像技術檢測高速公路所需條件簡單，以多旋翼無人機為例，多旋翼無人機僅需要一塊較為平坦的空地就可以開始檢測作業(yè)，甚至在條件不便的情況下，可以采用彈射起飛。無人機可以彌補衛(wèi)星在特殊天氣下無法實現(xiàn)有效抓捕的限制，它可以適應較為激烈的機動作業(yè)和相較惡劣的自然環(huán)境，不受天氣地理條件影響。

2.2 缺陷

雖然無人機影像技術在檢測高速公路中具有非常好的應用前景，但其本身受限于技術原因仍有一些缺陷需要改進。例如：GPS 定位較差，受信號傳輸?shù)挠绊懀瑹o人機在接受GPS信號時難以獲得穩(wěn)定的GPS 信號，致使無人機航拍所得的有效面積較小；我國目前在高速公路檢測領域所用的無人機基本上屬于小型和超輕型無人機，由于受質量原因，在工作環(huán)境中常常受到氣流影響，姿態(tài)穩(wěn)定性差，拍攝的相片旋偏角和航偏角難以控制；由于我國無人機檢測高速公路的應用還處于初級階段，檢測工具也往往比較簡陋，多為民用工具，無法達到專業(yè)級別，這對后期的圖像處理產生了不利影響。

3 探討與分析

針對無人機在高速公路檢測實際應用中存在的問題，文章對此進行討論，并為其提出一些建議。

我國無人機技術已經達到了世界領先的水平，如何將無人機技術完美地融合入日常時間工作是我們需要思考的問題。首先考慮現(xiàn)行的無人機專業(yè)化問題，在當今的無人機高速公路檢測領域，運用無人機還屬于局部的、自發(fā)性的行為，沒有相關規(guī)定輔佐無人機檢測技術發(fā)展。作為相關工作者，我們應當清晰意識到無人機影像檢測技術可能帶來的推動作用，深刻分析無人機影像技術的發(fā)展前景，以積極的態(tài)度推進無人機影像檢測技術的發(fā)展。將我國高速公路檢測從傳統(tǒng)檢測推向無人機影像技術檢測，再到專業(yè)化的無人機影像技術檢測。將無人機檢測從民用階段推動之至專業(yè)化。

對待GPS 定位問題，我們應當對未來充滿信心，隨著通信技術的進步，5G 時代的到來，大數(shù)據(jù)通信方式發(fā)生深刻改變，這將更加有利于無人機高速公路檢測事業(yè)的發(fā)展。

4 結語

無人機影像技術在高速公路檢測上的應用前景是非常廣闊的，它有著傳統(tǒng)檢測方法無法比擬的應用優(yōu)勢，隨著技術進步，無人機影像檢測成為我國高速公路檢測的一大支撐點。