無(wú)人機(jī)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用探索

陳志濤,陸艷銘,李 朋

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650041）

0 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)深入廣泛地應(yīng)用，給警用消防、電力巡檢、國(guó)土測(cè)繪、應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)保監(jiān)測(cè)等方面帶來(lái)了便利性，與此同時(shí)在這些行業(yè)的成熟應(yīng)用也促進(jìn)了無(wú)人機(jī)行業(yè)的大發(fā)展。從統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的報(bào)告來(lái)看，截至2018年年底，全國(guó)高速公路里程已達(dá)14.3萬(wàn)公里，位居全球第一，而且高速公路建設(shè)的腳步也并未停止，通車?yán)锍淘谥鹉暝黾印Ｈ绱司薮蟮母咚俟肥袌?chǎng)也面臨著建設(shè)、管養(yǎng)、運(yùn)行等方面的問(wèn)題，而無(wú)人機(jī)在高速公路的應(yīng)用會(huì)有效地緩解或者解決相關(guān)問(wèn)題[1]。該文意在探索無(wú)人機(jī)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用，促進(jìn)高速公路在“建管養(yǎng)”方面更為智能、高效。

1 在建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用

1.1 公路選線

在高速公路規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)采集豐富的地理信息，運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)和三維建模技術(shù)，生成包含地理信息的三維模型，設(shè)計(jì)人員可以在此三維模型的基礎(chǔ)上測(cè)量實(shí)地的距離、面積、填挖方體積等，因此可以得到一個(gè)更為合理的規(guī)劃選線方案。

1.2 勘察設(shè)計(jì)

高速公路傳統(tǒng)的勘察設(shè)計(jì)方法較為復(fù)雜，工作量較大，需要工作人員跑遍整個(gè)測(cè)繪區(qū)域，而且較為危險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)航測(cè)可以有效避免上述問(wèn)題。通過(guò)RTK設(shè)備在測(cè)繪區(qū)域做少量相控點(diǎn)，無(wú)人機(jī)采集帶有GPS數(shù)據(jù)信息的影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用Smart3D等軟件工具生成三維實(shí)景模型，在模型生成過(guò)程中，通過(guò)相控點(diǎn)進(jìn)行糾偏，使模型達(dá)到預(yù)期的精度。Smart3D軟件可以生成DEM、DSM、DOM等航測(cè)成果，基于三維模型運(yùn)用EPS等軟件可以生成地形圖。相關(guān)的文獻(xiàn)表明，無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)果的精度完全滿足公路設(shè)計(jì)的要求，相比傳統(tǒng)的測(cè)繪方法有著工作量小、時(shí)間快、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，無(wú)人機(jī)測(cè)繪流程。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪流程

1.3 設(shè)計(jì)方案模擬

設(shè)計(jì)方案模擬。目前高速公路所有的設(shè)計(jì)方案最終成果表現(xiàn)為二維平面的電子圖紙，不能給人以直觀的感受，也不便于方案評(píng)審研討。通過(guò)無(wú)人機(jī)的傾斜攝影和三維建模技術(shù)，生成三維實(shí)景模型，如圖2所示，將人工建模的三維模型疊加到三維實(shí)景模型中，最終做出真實(shí)、直觀的三維模型。基于此模型，業(yè)主、施工單位、設(shè)計(jì)單位可以更為方便的探討設(shè)計(jì)方案，最終產(chǎn)出的設(shè)計(jì)成果更符合各方面的預(yù)期[2]。

圖2 陸地氣象交通災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1∶500模型

1.4 施工過(guò)程監(jiān)控

施工過(guò)程監(jiān)控。在施工現(xiàn)場(chǎng)，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭進(jìn)行航拍，如圖3所示，從不同角度來(lái)查看施工情況，同時(shí)無(wú)人機(jī)的視頻圖像可以回傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心多個(gè)人員可以共同查看施工進(jìn)展、施工安全狀況等，通過(guò)此手段，可以規(guī)范施工人員的工作行為，并可以提高施工人員的安全施工意識(shí)。無(wú)人機(jī)可以飛行至特大橋、隧道洞口等人工不方便觀察檢測(cè)的地方，拍攝存在相關(guān)問(wèn)題的施工點(diǎn)，待后期通過(guò)相關(guān)軟件來(lái)發(fā)現(xiàn)、分析存在的問(wèn)題，保證施工有序進(jìn)行。無(wú)人機(jī)可以搭載五拼鏡頭，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行航測(cè)，生成的三維模型結(jié)果可以和BIM模型進(jìn)行對(duì)比，分析相關(guān)尺寸偏差和工程進(jìn)展情況。

圖3 無(wú)人機(jī)航拍施工現(xiàn)場(chǎng)

2 在管養(yǎng)過(guò)程中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)急指揮

應(yīng)急指揮。在高速公路發(fā)生交通事故后，對(duì)于工作人員在第一時(shí)間全面掌控現(xiàn)場(chǎng)情況顯的至關(guān)重要。同時(shí)也存在一些特殊情況，在交通事故發(fā)生以后，造成交通嚴(yán)重?fù)矶?，救援人員和車輛無(wú)法抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行有效評(píng)估，此時(shí)無(wú)人機(jī)的靈活性和機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)完全展現(xiàn)出來(lái)。如圖4所示，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載擴(kuò)音器，可以對(duì)擁堵地段進(jìn)行喊話疏導(dǎo)，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的工作人員下達(dá)指揮指令，大大提高解決事故的效率。無(wú)人機(jī)可以搭載高清攝像頭，第一時(shí)間抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并且將實(shí)時(shí)的視頻數(shù)據(jù)回傳至指揮大廳，給領(lǐng)導(dǎo)的指揮調(diào)度決策提供科學(xué)的支撐，促使交通更快的暢通。

圖4 利用無(wú)人機(jī)對(duì)交通狀況進(jìn)行監(jiān)控取證

2.2 日常巡檢

日常巡檢。目前高速公路運(yùn)營(yíng)單位工作人員會(huì)對(duì)高速公路定期巡檢，存在著巡檢工作量大，效率低等問(wèn)題，尤其在橋梁下高邊坡等地方通過(guò)巡檢的方式很難發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題點(diǎn)。通無(wú)人機(jī)采集高速公路的正射影像數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)高速公路的相關(guān)設(shè)施情況、路面破損情況、周邊綠化情況，相關(guān)的管理部門可以及時(shí)的采取相關(guān)的措施，做到有效防范，防止損失擴(kuò)大，并保障駕乘人員的行車安全。發(fā)生自然災(zāi)害，高速公路相關(guān)路段或者相關(guān)設(shè)施被破壞，通過(guò)無(wú)人機(jī)結(jié)合測(cè)繪技術(shù)可以對(duì)事故災(zāi)害進(jìn)行有效的評(píng)估，而且也為災(zāi)后重建提供了數(shù)據(jù)支撐。具體效果如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)巡檢

2.3 結(jié)構(gòu)物檢測(cè)

結(jié)構(gòu)物檢測(cè)。在橋梁檢測(cè)方面，人工檢測(cè)不僅效率低、難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，而且檢測(cè)精細(xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，將在很大程度上解決了這一難題[3]。如圖6所示，無(wú)人機(jī)可通過(guò)相機(jī)、激光雷達(dá)等控制設(shè)備完成橋梁底面、柱面及橫梁等結(jié)構(gòu)面的拍攝取證，同時(shí)還可以進(jìn)行橋梁整體的三維建模，通過(guò)模型來(lái)測(cè)算橋梁的外在結(jié)構(gòu)，供專業(yè)人員分析橋梁狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，可極大減輕橋梁維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高橋梁檢測(cè)維護(hù)效率。在邊坡檢測(cè)方面，同樣可以通過(guò)無(wú)人機(jī)及相關(guān)設(shè)備檢測(cè)邊坡的斜率以及沖溝等問(wèn)題。在交通標(biāo)志檢測(cè)方面，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行交通標(biāo)志的識(shí)別，檢測(cè)標(biāo)志是否缺失等相關(guān)內(nèi)容。

圖6 無(wú)人機(jī)橋梁檢測(cè)

3 無(wú)人機(jī)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 昆楚高速讀書鋪服務(wù)區(qū)三維資產(chǎn)管理

讀書鋪服務(wù)區(qū)位于昆明市安寧市太平新城街道，G56杭瑞高速昆安高速公路路段，里程樁號(hào)K23+600，目前是云南省最大、配套最為齊全的服務(wù)區(qū)，同時(shí)也是滇西方向經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸、旅游的高速公路第一窗口。

利用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)，搭載2 000萬(wàn)像素高清的攝像頭，集成全新的RTK模塊，在晴天環(huán)境下飛行，風(fēng)速低于4 m/s，飛行高度100 m情況下，進(jìn)行航拍，取得傾斜攝影影像數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)通過(guò)Smart3D軟件進(jìn)行三維模型構(gòu)建，通過(guò)DP-Modeler軟件進(jìn)行模型修復(fù)，最終得到1∶2 000的三維實(shí)景模型。模型清晰地展現(xiàn)了服務(wù)區(qū)建筑、設(shè)施、綠化等情況，形成較為全面的服務(wù)區(qū)三維電子檔案。具體效果如圖7、圖8所示。

圖7 讀書鋪服務(wù)區(qū)三維模型

圖8 讀書鋪服務(wù)區(qū)經(jīng)營(yíng)區(qū)

3.2 保瀘高速測(cè)繪

該次外業(yè)應(yīng)用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)獲取航飛影像數(shù)據(jù)，通過(guò)移動(dòng)RTK設(shè)備獲取相控點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)通過(guò)Smart3D軟件進(jìn)行三維建模。建模過(guò)程中將相控點(diǎn)的經(jīng)緯度導(dǎo)入，生成的模型精度達(dá)到5 cm分辨率。通過(guò)清華山維EPS軟件進(jìn)行地形圖生成。具體生成效果如圖9、圖10所示。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)近年來(lái)開(kāi)始興起，逐漸和各個(gè)行業(yè)進(jìn)行結(jié)合，解決行業(yè)的痛點(diǎn)。在高速公路方面主要應(yīng)用包括航測(cè)、監(jiān)控、巡檢、結(jié)構(gòu)物檢測(cè)等方面。

運(yùn)用無(wú)人機(jī)快速準(zhǔn)確采集地理信息的優(yōu)勢(shì)，可為地理信息系統(tǒng)的建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影建立的三維模型結(jié)合軟件工程進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可廣泛應(yīng)用于高速公路的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、管理及應(yīng)急救援。

圖9 隧道斜井口地形圖

圖10 隧道洞口棄土場(chǎng)地形圖