無(wú)人機(jī)影像在高速公路檢測(cè)中的應(yīng)用

鄧愛(ài)民

摘 要：以無(wú)人機(jī)影像在高速公路檢測(cè)的應(yīng)用為核心內(nèi)容進(jìn)行分析論述，以該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)以及運(yùn)用的優(yōu)劣勢(shì)為切入點(diǎn)，結(jié)合A市S高速公路的實(shí)際工程檢測(cè)案例，探究無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的工作流程，望可以強(qiáng)化無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)中應(yīng)用水準(zhǔn)，以此提升高速公路檢測(cè)作業(yè)的實(shí)際效率。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)影像;高速公路;檢測(cè);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U415.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）06-0086-03

1 無(wú)人機(jī)影像的特點(diǎn)以及高速公路檢測(cè)的主要需求

無(wú)人機(jī)影像的主要特點(diǎn)有以下2點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)中的“無(wú)人機(jī)”部分，由載體、機(jī)載攝像頭、通信裝置組建而成，借助人工操縱的方式可以讓無(wú)人機(jī)在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)飛行，并由機(jī)載攝像頭記錄拍攝視野范圍中所見(jiàn)的一切圖像，攝像頭也可以通過(guò)人工操控的方式自由切換視角[1]。在無(wú)人機(jī)以及攝像頭的協(xié)同合作下便可以順利完成檢測(cè)圖像的采集工作，并將收集到的資料內(nèi)容第一時(shí)間通過(guò)自身的通信裝置發(fā)送至人工端，由人工端來(lái)接收、呈現(xiàn)資料內(nèi)容。

觸屏式控制設(shè)備是達(dá)成人工端操控?zé)o人機(jī)影像技術(shù)的關(guān)鍵，較為常見(jiàn)的設(shè)備為平板電腦，其融合了顯示以及控制于一體的功能[2]，可以完成檢測(cè)圖像的接收工作，與此同時(shí)，操作人員也可以利用觸屏的方式調(diào)整圖片顯示的大小，并完成圖像保存、攝像頭檢測(cè)視角調(diào)整工作。觸屏式控制設(shè)備并不是唯一的人工端設(shè)施，無(wú)人機(jī)控制裝置也可以達(dá)成設(shè)備的操控目的，這一類裝置可以有效把控?zé)o人機(jī)的飛行高度、角度以及速度。綜上分析，觸屏式控制設(shè)備更貼合此次論文的核心內(nèi)容，可以更加出色地完成高速公路的檢測(cè)工作。

2 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)應(yīng)用于高速公路檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)以及劣勢(shì)分析

2.1 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)工作中的優(yōu)勢(shì)特征

成本低廉、圖像內(nèi)容清晰且準(zhǔn)確、檢測(cè)機(jī)動(dòng)力強(qiáng)、工程計(jì)算精準(zhǔn)、條件要求標(biāo)準(zhǔn)較低且具備較高的安全性能，是無(wú)人機(jī)影像技術(shù)應(yīng)用于高速公路檢測(cè)作業(yè)中的主要優(yōu)勢(shì)。具體分析如下。結(jié)合市面中常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)影像配套設(shè)施的總體價(jià)位來(lái)看，其成本大約在幾千元到幾萬(wàn)元不等（不包含機(jī)載攝像頭）?？娠@著強(qiáng)化所得圖像的清晰度，為后續(xù)的分析、計(jì)算工作提供便利。在繁雜且龐大的檢測(cè)環(huán)境、工作內(nèi)容面前，人工檢測(cè)方式大概率會(huì)在作業(yè)推進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)各類問(wèn)題，例如人工檢測(cè)機(jī)動(dòng)性較差。而無(wú)人機(jī)技術(shù)的機(jī)動(dòng)性能明顯優(yōu)于人工作業(yè)，不會(huì)因這一問(wèn)題對(duì)工作質(zhì)量產(chǎn)生影響，可以在短時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)作業(yè)的所有內(nèi)容，同時(shí)也能保證檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量和實(shí)際要求相貼合。

借助無(wú)人機(jī)影像技術(shù)，可以有效保證檢測(cè)工作的安全性。無(wú)人機(jī)技術(shù)的研發(fā)背景是信息化時(shí)代，其作為高新電子技術(shù)產(chǎn)物，具備智能化的特點(diǎn)，其自身搭載著激光雷達(dá)掃描設(shè)備，工作人員可以準(zhǔn)確地將檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的地理地貌還原出來(lái)，借助數(shù)字化技術(shù)對(duì)地形狀況展開(kāi)高密度測(cè)量，工作速度快且所得結(jié)果精準(zhǔn)。借助無(wú)人機(jī)影像技術(shù)開(kāi)展高速公路檢測(cè)工作的條件要求十分簡(jiǎn)易。同時(shí)還能根據(jù)地貌的具體特征，高清的進(jìn)行地貌還原。

現(xiàn)如今市面上所應(yīng)用的數(shù)碼相機(jī)在專業(yè)性上已經(jīng)可以達(dá)到了八千萬(wàn)的高清像素。通過(guò)無(wú)人機(jī)影響技術(shù)所獲得的全景數(shù)字化地形測(cè)繪圖，加上1：500的高清彩色正射影像圖，兩者之間的對(duì)比可以清晰的反映出高速公路路線的具體情況以及高速公路周邊的地形情況。以上種種均可以作為其無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)工作中的優(yōu)勢(shì)，有效的協(xié)助其管理人員更好地完成工作。

2.2 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)工作中的不足之處

第一，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中若遇到強(qiáng)勁氣流，很可能會(huì)出現(xiàn)姿態(tài)不穩(wěn)的問(wèn)題，這一不利因素會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)攝像頭的角度造成一定負(fù)面影響，導(dǎo)致采集到的區(qū)域圖像資料會(huì)存在質(zhì)量較差、清晰度不高、角度不精準(zhǔn)。

第二，無(wú)人機(jī)之所以能將圖像傳輸給人工操控平臺(tái)，是因?yàn)樗凸ぷ魅藛T手中的通訊設(shè)備之間存在著一定的聯(lián)系，但就實(shí)際情況來(lái)看，如果無(wú)人機(jī)受到了信號(hào)的干擾，便會(huì)導(dǎo)致圖像丟失或者失真[1]。

3 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)中的作業(yè)流程

3.1 無(wú)人機(jī)影像設(shè)備的校驗(yàn)

數(shù)碼相機(jī)是無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)搭載的主要設(shè)備，也是獲取影像內(nèi)容的關(guān)鍵，而相機(jī)產(chǎn)生誤差則會(huì)對(duì)影像獲取以及檢測(cè)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

例如，如果在選擇應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)的同時(shí)，需要選擇運(yùn)用GPR定位系統(tǒng)，去接收信號(hào)的傳輸，如果因?yàn)樾盘?hào)不佳造成其信息傳輸受到影響，這一點(diǎn)是需要重點(diǎn)注意，數(shù)碼相機(jī)的拍攝存在問(wèn)題導(dǎo)致其無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航拍中的接收到的信號(hào)面積較小，同時(shí)我國(guó)現(xiàn)階段所選擇的無(wú)人機(jī)不管是在技術(shù)上還是在影像上都屬于小型機(jī)，自身質(zhì)量畢竟受到限制。很多情況下受到氣候或者是氣流的影響，自身姿態(tài)性缺少一定的穩(wěn)定性，造成拍攝的照片角度受到影響，無(wú)法應(yīng)用。同時(shí)無(wú)人影像技術(shù)在我國(guó)高速公路檢測(cè)中屬于初級(jí)階段，需要在工作之前進(jìn)行校檢，保障后期圖片的應(yīng)用，數(shù)碼相機(jī)的正常拍攝。綜合分析后得知，數(shù)碼相機(jī)的誤差主要由光學(xué)畸變、相機(jī)內(nèi)部機(jī)械誤差、電荷耦合原件以及電信號(hào)不穩(wěn)定造成，這些因素的存在使得所得影像的像點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差，鑒于此，在開(kāi)展實(shí)際測(cè)量工作前，應(yīng)對(duì)相機(jī)進(jìn)行誤差校驗(yàn)，以此消除鏡頭畸變狀況，確保檢測(cè)質(zhì)量。

3.1.1 相機(jī)的校驗(yàn)內(nèi)容

相機(jī)檢查的主要部分是：主點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）與主距f;鏡頭徑向失真系數(shù)k、k、k和離心失真系數(shù)p、p;尺寸偏離誤差d、不正交性誤差d。

3.1.2 相機(jī)的校驗(yàn)方式

結(jié)合校驗(yàn)內(nèi)容的差異性，可以將其分為以下幾種：①光學(xué)實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)法;②試驗(yàn)場(chǎng)校驗(yàn)法;③在任校驗(yàn)法;④自校驗(yàn)法;⑤恒星檢校法。

其中相機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)最為簡(jiǎn)便，且精準(zhǔn)度以及可靠性較高，是當(dāng)下諸多高校和廠商應(yīng)用頻率最高的檢校法。室內(nèi)校驗(yàn)場(chǎng)分為2D和3D兩種，其由諸多標(biāo)志明顯突出且空間坐標(biāo)精準(zhǔn)測(cè)量的點(diǎn)組成。主要方法為，利用待測(cè)的相機(jī)對(duì)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行多次拍攝，然后通過(guò)在單個(gè)區(qū)域和后方區(qū)域相遇，來(lái)解內(nèi)方位元素和其它影響波束形態(tài)的因素。

3.2 航攝分區(qū)的確立

為了保證無(wú)人機(jī)航攝檢測(cè)過(guò)程中獲取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，就應(yīng)對(duì)檢測(cè)范圍進(jìn)行合理劃分，在分區(qū)時(shí)應(yīng)遵循下述原則：①各區(qū)域的邊界應(yīng)當(dāng)與地圖的輪廓線相符合;②各區(qū)域之間的地勢(shì)高度差異不宜超過(guò)1/6的航空攝影高度;③在保證高度和航攝路線都是筆直的情況下，盡可能的增加區(qū)域的寬度，保證將整個(gè)拍攝區(qū)域都籠罩在內(nèi)。

3.3 航攝時(shí)間的確定

在開(kāi)展無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量作業(yè)時(shí)，應(yīng)設(shè)定準(zhǔn)確的作業(yè)時(shí)間。同時(shí)，在測(cè)量的時(shí)候，必須根據(jù)目標(biāo)地面的太陽(yáng)高度角度（保證圖像具有充足的照度）和陰影倍數(shù)（減少航攝目標(biāo)陰影過(guò)大的概率）作為基準(zhǔn)（如表1所示）。

應(yīng)注意，在滿足上述條件的前提下，若測(cè)量地區(qū)處于高層建筑物密集的地方，應(yīng)在正午后一小時(shí)內(nèi)開(kāi)展無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)，若測(cè)量地區(qū)在沙漠、森林或是草地中，應(yīng)在正無(wú)前后各兩小時(shí)后開(kāi)展航測(cè)作業(yè)。

3.4 確定航攝路線

無(wú)人機(jī)航線的設(shè)計(jì)應(yīng)以待測(cè)區(qū)域的地面地形狀況為基礎(chǔ)，綜合考慮飛行平臺(tái)、地表畫(huà)面解析率、航向交迭度、飛行高度、速度、曝光度等數(shù)據(jù)參數(shù)，這也是確保測(cè)量精準(zhǔn)度、保證所得測(cè)量結(jié)果與要求相符的關(guān)鍵。在拍攝路徑的規(guī)劃中應(yīng)該遵守以下幾點(diǎn)原則：①總體上，根據(jù)東西方向和圖形的輪廓來(lái)進(jìn)行線路的設(shè)計(jì)，在特定條件下可以調(diào)整為南北向或是沿其他要求設(shè)計(jì)。②根據(jù)地形的高低，采用數(shù)碼標(biāo)高模式進(jìn)行曝露點(diǎn)位的設(shè)計(jì);③在江岸或海岸進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要注意防止像主點(diǎn)的墜落;④待檢測(cè)區(qū)域的邊界線航向覆蓋應(yīng)大于兩條基線，旁向覆蓋應(yīng)大于像幅50%;⑤在飛行時(shí)，航拍的方向重合率為60%～80%，而不能低于53%，側(cè)面交迭率為15%～60%，最低不得低于8%。

3.5 像控點(diǎn)的布測(cè)

選點(diǎn)人員應(yīng)在實(shí)習(xí)選點(diǎn)以及埋石作業(yè)前夕，以檢測(cè)工作的任務(wù)為基礎(chǔ)搜集待檢測(cè)區(qū)域以及附近的資料內(nèi)容，其中包含待測(cè)區(qū)域1：50000比例尺的地形圖、三角點(diǎn)以及導(dǎo)線點(diǎn)等各類平面控制點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)、GPS控制點(diǎn)資料。同時(shí)也要全面了解待測(cè)地點(diǎn)的交通、供電、氣象以及通信因素，進(jìn)而以合同要求內(nèi)容以及任務(wù)內(nèi)容，對(duì)無(wú)人機(jī)的像控點(diǎn)進(jìn)行布測(cè)。在布測(cè)的過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)觀察檢測(cè)場(chǎng)地內(nèi)是否有供無(wú)人機(jī)起停的場(chǎng)地。具體要求如下：場(chǎng)地內(nèi)部不得有高壓路線、水源;周圍不得有機(jī)場(chǎng)或是軍事敏感區(qū)域，避免對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)產(chǎn)生干擾。在確定符合上述要求后，挑選無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地。為對(duì)該市S高速公路進(jìn)行全區(qū)域檢測(cè)，并降低其圖像拼接的誤差，此次檢測(cè)工作將沿高速公路兩側(cè)布設(shè)30個(gè)控制點(diǎn)，為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)的更改提供便利，以此提高檢測(cè)作業(yè)的精準(zhǔn)度。

3.6 航拍數(shù)據(jù)的采集

此次數(shù)據(jù)搜集的場(chǎng)地為A市的S高速公路施工段，線路長(zhǎng)度為118.9 km，雙向四車道、路基寬度為25 m。項(xiàng)目劃分了10個(gè)路基合同段、4個(gè)路面合同段、4個(gè)雙向交通安全設(shè)施合同段。此次檢測(cè)使用PIX4D-capture為飛行控制平臺(tái)，依據(jù)地圖信息明確目標(biāo)場(chǎng)地的外緣坐標(biāo)點(diǎn)，并以實(shí)際地形以及障礙物為基礎(chǔ)調(diào)整了飛行路線，并設(shè)置了相機(jī)的曝光時(shí)間間隔、旋轉(zhuǎn)角度、無(wú)人機(jī)飛行高度、速度等參數(shù)，在飛行過(guò)程中，云臺(tái)和機(jī)身保持平衡，以此達(dá)成圖像采集重疊率達(dá)標(biāo)的目的。此次數(shù)據(jù)的搜集通過(guò)單航道覆蓋的方式對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的平面施工地區(qū)進(jìn)行拍攝。通過(guò)云臺(tái)正射90°搜集圖像，依據(jù)施工場(chǎng)地的線性特征以及拼接工作的要求，采用單航道覆蓋拍攝路面施工作業(yè)影像，在確保圖像分辨率的同時(shí)也能降低圖像的數(shù)據(jù)量[2]。

3.7 業(yè)內(nèi)處理

業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)梳理工作是無(wú)人機(jī)影響檢測(cè)作業(yè)中的核心內(nèi)容，其主要借助商業(yè)軟件來(lái)達(dá)成預(yù)設(shè)的工作目標(biāo)。以中海達(dá)公司無(wú)人機(jī)后期處理軟件Pix4Dmapper為實(shí)踐案例進(jìn)行剖析研究，其主要作業(yè)流程包括，獲取原始資料→建立測(cè)區(qū)導(dǎo)入數(shù)據(jù)→全自動(dòng)處理→結(jié)果分析[3]。

其次，要針對(duì)POS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面檢測(cè)，在檢查過(guò)程中應(yīng)提高對(duì)航帶變化位置相片號(hào)的重視力度，保證數(shù)據(jù)中相片號(hào)和影像數(shù)據(jù)的相片號(hào)一致統(tǒng)一，若發(fā)現(xiàn)存在差異狀況應(yīng)及時(shí)借助人工操作的辦法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[4]。還應(yīng)創(chuàng)建專門(mén)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)，將所得的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行收集保存[5]。

通過(guò)象控點(diǎn)處理器添加控制點(diǎn)，要求把控制點(diǎn)一個(gè)接一個(gè)地戳在照片上，然后通過(guò) 與POS數(shù)據(jù)的融合進(jìn)行空間三次計(jì)算，以此獲得精確的每一張航拍圖像的外部方向和加密點(diǎn)的位置。Pix4Dmapper先進(jìn)的算法可以對(duì)每個(gè)像素的高程值進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，從而產(chǎn)生立體的點(diǎn)云，以此提高改善 DEM和 DMD圖像 DOM的精準(zhǔn)度和分辨率。

空間三次計(jì)算的分析公式如下：

在完成了空中三角的測(cè)繪工作以后，就必須通過(guò)合成操作進(jìn)行圖像的綜合處理。利用航空三角測(cè)量工作的方向要素和圖像的匹配開(kāi)展前方交會(huì)，以此生成大量的離散立體數(shù)據(jù)，并用人機(jī)交互的方法獲取 DEM，并生成相應(yīng)的正射圖像。

4 探究以及分析

中國(guó)的無(wú)人駕駛技術(shù)在國(guó)際上處于遙遙領(lǐng)先的地位，而在現(xiàn)實(shí)中，我們必須認(rèn)真考慮通過(guò)怎樣的方式方法把它與實(shí)際工作進(jìn)行深度融合。首先是目前的無(wú)人機(jī)行業(yè)的特殊性，當(dāng)下，我國(guó)在無(wú)人機(jī)影像技術(shù)高速道路探測(cè)作業(yè)中，采用的無(wú)人機(jī)大多是局部的、自發(fā)的，并沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)定章程來(lái)支持無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。鑒于此，身為工作人員的我們，應(yīng)清楚的認(rèn)識(shí)到無(wú)人機(jī)影像技術(shù)的作用價(jià)值，探究其在我國(guó)的發(fā)展前景，通過(guò)積極、認(rèn)真的態(tài)度幫助無(wú)人機(jī)影像技術(shù)向著更遠(yuǎn)、更好的方向發(fā)展，將我國(guó)高速公路的檢測(cè)方式由常規(guī)的探測(cè)技術(shù)發(fā)展到無(wú)人機(jī)影像技術(shù)探測(cè)，再將其發(fā)展為專業(yè)化的無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)技術(shù)。把尚處于民用階段的無(wú)人機(jī)檢測(cè)發(fā)展至專業(yè)化。而針對(duì)信號(hào)傳輸干擾問(wèn)題，我們應(yīng)該滿懷信心，相信通信技術(shù)的不斷發(fā)展、5G時(shí)代的到來(lái)，必定會(huì)深刻改革大數(shù)據(jù)通信的方式途徑，而這一變化對(duì)于無(wú)人機(jī)影像高速公路檢測(cè)作業(yè)而言，有著極為重要的作用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際來(lái)看，無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在高速公路檢測(cè)作業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)較為可觀，其有著傳統(tǒng)人工檢測(cè)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展中，無(wú)人機(jī)影像檢測(cè)手段成為了我國(guó)高速公路檢測(cè)工作的重要支撐，有效優(yōu)化改善了高速公路檢測(cè)作業(yè)所得數(shù)據(jù)圖像的清晰度與真實(shí)度，這于我國(guó)高速公路檢測(cè)作業(yè)的實(shí)際質(zhì)量效果以及該項(xiàng)工作今后的發(fā)展進(jìn)步而言意義重大。

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