無人機在高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查中的應用

呂夢　謝亮　高昆

【摘 要】根據(jù)無人機的特點和高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查的特點，從無人機機型選擇、航攝質(zhì)量、邊坡類型等方面綜合考慮，提出了利用曝光估計來調(diào)整相機參數(shù)來保證質(zhì)量提高實用性，同時制定了無人機邊坡養(yǎng)護巡查方案，通過實驗驗證了方案的可行性；同時實驗結(jié)果表明能提高工作效率、降低工作強度。

【關(guān)鍵詞】無人機；高速公路邊坡；養(yǎng)護巡查

中圖分類號： S157；U415；V19 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.062

隨著科學技術(shù)和航空工業(yè)的快速發(fā)展，無人機的性能不斷提高、功能日益完善，無人機被廣泛應用于電力、石油、農(nóng)業(yè)、通信等多個領(lǐng)域。邊坡作為山區(qū)高速的重要組成部分，其養(yǎng)護巡查一直是道路巡查工作的重點和難點。目前邊坡日常養(yǎng)護巡查主要依靠人工巡查，危險性高、勞動強度大、耗時費力，且部分邊坡由于地形、工具等限制容易形成巡查盲點。為此，本文對無人機在邊坡日常養(yǎng)護巡查中的應用進行探討，以期能夠提高巡查工作效率、降低危險性，對無人機在巡查中的實際應用提供參考。

1 無人機巡查平臺選取原則

目前，市場上的無人機主要以固定翼和旋翼無人機為主，而近幾年，垂直起降無人機的數(shù)量也在逐步增多。

本文在選擇邊坡巡查的無人機機型時，主要考慮無人機工作環(huán)境特征、執(zhí)行的任務需求、操控性以及性價比四個方面。

（1）環(huán)境特點。高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查是一個常規(guī)性的工作，不會封鎖道路或者限制車輛通行。高速公路是全封閉的，能提供給無人機飛升、降落的場地非常有限（一般情況下，只有應急車道可用）。同時，高速公路邊坡周邊環(huán)境復雜、戶外氣候多變，要求無人機具有很好的靈活性。

（2）任務特點。邊坡巡查范圍小、內(nèi)容多，不僅要查看邊坡及其周圍環(huán)境的整體情況，還需查看如截水溝、排水溝等設(shè)施的具體情況，需要無人機滿足空中懸停、近距離拍攝等要求。

（3）可操控性。高速公路日常養(yǎng)護巡查人員幾乎都不具備無人機操控的經(jīng)驗，高速公路養(yǎng)護部門需要組織巡查人員學習無人機的相關(guān)操作。因此要求無人機操作需盡量簡單、容易掌握，以免花費巡查人員更多的時間和精力。

（4）性價比。無人機應用于邊坡巡查時，除考慮其性能是否滿足巡查要求，還應該考慮其成本。無人機價格太昂貴不僅會加大養(yǎng)護資金的投入，還會給巡查人員帶來心理壓力，所以需結(jié)合需求考慮性價比。

綜上，本文選用旋翼無人機用于邊坡的日常養(yǎng)護巡查。

2 無人機邊坡養(yǎng)護巡查應用

由于目前邊坡日常養(yǎng)護巡查主要是采用人工方式，缺少邊坡病害的圖片，加上目前還沒有一套對邊坡病害進行量化的判斷標準。因此，本文提出的巡查方案主要是基于人工分析圖像的方式。

2.1 航攝質(zhì)量控制

通過無人機系統(tǒng)采用航空攝影的方式獲取的高速公路邊坡圖像是巡查人員對邊坡狀態(tài)判讀的重要信息源，其質(zhì)量的好壞會直接影響后續(xù)巡查人員對邊坡狀態(tài)判讀的準確性。因此，航攝質(zhì)量對于邊坡巡查至關(guān)重要，制定航攝方案時需考慮對航攝質(zhì)量的控制。航攝質(zhì)量控制主要分為攝像質(zhì)量控制和飛行質(zhì)量控制。

2.1.1 攝像質(zhì)量控制

相機是利用光學成像原理形成影像并將其記錄的設(shè)備，曝光是影像再現(xiàn)的前提。曝光是在拍攝時被拍攝物體反射出來的光線進入鏡頭照射在感光元件上的光量，由光圈、快門和感光度共同控制。

高速公路邊坡是裸露于自然環(huán)境中的，無人機航攝系統(tǒng)對邊坡的圖像采集屬于室外攝影，故太陽光是拍攝的主要光源。影響太陽光地表照度的因素有很多，主要包括天氣、時間、季節(jié)、投射方式以及地域，但具有較強的規(guī)律性。

航片拍攝的質(zhì)量受到多方面因素的影響。為了提高在邊坡巡查中的實用性和可操作性，可借鑒攝影師們經(jīng)過長期的實踐經(jīng)驗得出的黃金曝光律，結(jié)合太陽光照強度的變化規(guī)律對曝光組合進行調(diào)整。

2.1.2 飛行質(zhì)量控制

利用無人機巡查應避免采集區(qū)被遺漏的情況，保證采集的影像不會出現(xiàn)動態(tài)模糊并能夠?qū)吰聽顟B(tài)進行判讀。主要從重疊度、影像移值、地面采樣間隔對其進行控制以保證質(zhì)量。

（1）像片重疊度

在航空攝影的航線中，所有相鄰的相片之間都應該具有一定的重疊度，從而保證航攝像片能夠重疊覆蓋整個航攝區(qū)域，以免出現(xiàn)“航攝漏洞”?！昂綌z漏洞”分為未被像片覆蓋的“絕對漏洞”和雖然被覆蓋但沒有達到所要求重疊度的“相對漏洞”。目前主要用于人工判讀，對航攝像片的精度要求不高，只需要保證不出現(xiàn)絕對漏洞的情況。

（2）影像移值

不同于普通的地面攝影，航空攝影中由于晃動、無人機的運動等使得在對地物拍照的瞬間，拍攝的物體和感光元件之間存在相對移動。地面點的像點變成一條直線而不再是一個點，像移會造成圖像質(zhì)量退化，導致圖像的分辨率下降，因此需要控制位移值的大小以保證拍攝像片的質(zhì)量。

（3）地面采樣間隔GSD

目前無人機一般攜帶的成像設(shè)備是數(shù)碼相機而不是膠片相機，鑒于數(shù)碼相機與膠片相機成像原理的不同，傳統(tǒng)的“鏡頭焦距/攝影比例尺=航高”的計算公式不再適用于數(shù)碼航空攝影。采集的數(shù)字影像分辨率采用地面采樣間隔（GSD）來描述的。數(shù)字航空攝影中，地面采樣間隔、航高、像元尺寸和相機鏡頭主焦距之間存在關(guān)系[2]：

GSD=（1）

式中，H表示無人機的航拍高度；f表示相機的鏡頭焦距：μ表示感光元件中像元的物理尺寸。需要注意的是式中的飛行高度是無人機距離航攝分區(qū)平均基準面的相對高度。GSD的選取直接決定了無人機采集的邊坡圖像能否滿足巡查人員的對于邊坡判讀的要求，也關(guān)系到航攝方案中一系列參數(shù)的設(shè)置。

2.2 航攝具體方案

2.2.1 拍攝方式選取

（1）邊坡分類

不同的地質(zhì)條件、不同的工程設(shè)計使邊坡具有不同的形式和特征。在高速公路邊坡建設(shè)中，一般當邊坡高度超過20m時，為保證邊坡的穩(wěn)定性會在邊坡的坡面上沿縱向做成一定寬度的平臺，形成了多級臺階狀的邊坡。無人機進行邊坡巡查時，更注重于邊坡的外形結(jié)構(gòu)。

（2）拍攝方式選取

高速公路邊坡坡面比較平整，凹凸起伏較小。但不少邊坡上設(shè)有排水所需的截水溝，目前截水溝斷面形式一般都被設(shè)計成梯形或矩形，溝底平行于路面，呈現(xiàn)“凹”陷狀。因此本文在利用無人機進行圖像采集時，將坡面和截水溝分開進行。

2.2.2 航攝參數(shù)設(shè)置

（1）航高

相機云臺是搭乘在無人機上進行作業(yè)的，主要通過控制無人機的航高來改變相機的拍攝距離（相機參數(shù)調(diào)整結(jié)束不變）以保證合乎要求的GSD，所以將相對航高作為無人機在邊坡巡查過程中的狀態(tài)監(jiān)控指標。由航拍高度與GSD的關(guān)系，可知航拍高度即為攝影物距D。相對航高H相對可由攝影物距計算得到，采取不同航線，相應的相對航高計算方法也不相同。

2.2.3 航線分類

（1）非臺階狀邊坡

非臺階狀邊坡的坡面傾斜角一般不變或者變化不大。對于未設(shè)截水溝的邊坡，整個邊坡的表面相當于一個完整平面，則不需要劃分航攝區(qū)域。對于設(shè)有截水溝的情況，坡面和截水溝需要分開采集。

（2）臺階狀邊坡

臺階狀邊坡外形類似于臺階，整個坡面是由各級“臺階”的側(cè)面和頂面組成。航攝時將坡面按“臺階”拆分成一個個小平面，分為與路面有一定夾角的側(cè)面和平行于路面的頂面。

當各級坡面的傾角相同時，即β1=β2=β3=β，無人機拍攝時相機鏡頭可以保持相同的傾角θp完成整個坡面的拍攝；當各級坡面的傾角不相同時，即β1≠β2≠β3，無人機每巡查完一級坡面則需要調(diào)整相機鏡頭的傾角。拍攝時，盡量使相機鏡頭主光軸與坡面相垂直。按照一定的重疊度使航線的方向與道路的走向一致。

3 實例驗證

通過對比目前市場上主流無人機航攝平臺，本文選擇了大疆無人機“悟”Inspire 2對漢寧高速公路中樁號為K1308+450的邊坡進行養(yǎng)護巡查實驗。漢寧高速邊坡K1308+450位于寧強至洋縣段，海拔為420米，周圍無電線、通信基站等設(shè)施，坡面有少量植被覆蓋。此邊坡為臺階狀邊坡，共有五級臺階，邊坡整體高為41m、坡腳約為45°。航攝實驗在春季進行的，邊坡海拔高度為420米、緯度為33°，實驗當天多云。在相機感光度ISO 100不變的情況下。

根據(jù)實驗結(jié)果可知，利用無人機采用本文提出的巡查方案可以輔助巡查人員實現(xiàn)邊坡巡查工作。相對人工巡視來說，工作效率提高了43.5%。同時，巡查人員表示大幅度減輕了他們爬坡的工作強度。將每處邊坡的樁號和經(jīng)緯度一一對應起來，避免混淆或遺忘，不僅能夠?qū)⒑罄m(xù)邊坡日常巡查的記錄工作由戶外轉(zhuǎn)至室內(nèi)完成，而且有利于邊坡巡查記錄的檔案整理和信息共享。

4 結(jié)語

針對無人機在高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查方面的應用進行了詳細的探討，基于人工分析圖像的工作模式，本文從拍攝質(zhì)量和飛行質(zhì)量兩方面進行了探討，在邊坡巡查中根據(jù)光照強度的變化，采用曝光估計的方法對相機進行調(diào)節(jié)，對于室外作業(yè)實用性更強。根據(jù)巡查需要將邊坡分為臺階狀和非臺階狀，分析各自的特點采用不同的航攝方式。實驗表明，無人機可以完全可以滿足高速公路邊坡日常養(yǎng)護巡查的要求和需要，提高工作工、降低爬坡帶來的工作強度和危險性。

【參考文獻】

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