基于免像控无人机技术的高速公路边坡快速检测方法研究_林森.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.007收稿日期：2022-08-14基金项目：广东省公路建设有限公司自立项科技项目（2021-司003）作者简介：林 森（1995-），男，福建龙岩人，工程师，硕士，主要从事公路工程科研、咨询设计，E-mail：。基于免像控无人机技术的高速公路边坡快速检测方法研究林森1，邓温悌2，田卿燕1，张青青1（1.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510000；2.广东省公路建设有限公司 江罗分公司，广东 广州 510000）摘要：针对当前采用纯人工方式检测高速公路边坡效率较低以及效果较差的问题，基于无人机在广东省境内多条高速公路边坡的快速检测工程实践基础，提出了“无人机航测”“人工+无人机航测”和“无人机航测+三维建模”三种适用于高速公路不同类型边坡的快速检测方法。根据边坡灾害、地理环境和检查设施情况将高速公路边坡分为8种类型，以潮惠高速公路和广乐高速公路部分边坡为应用背景，通过使用免相控无人机对边坡进行巡查，并与传统人工巡查方法进行对比，发现“无人机航测”“人工+无人机航测”和“无人机航测+三维建模”三种快速检测方法相较于传统人工巡查可以显著减少检测时间，且有效检测范围更广。以潮惠高速公路莲花山2号隧道惠州端边坡为工程背景，采用了“无人机航测+三维建模”模式对边坡进行巡查，结果表明：“无人机航测+三维建模”公路边坡快速检测方法能够有效提升边坡病害的识别能力，提高检测效率。关键词：免相控；无人机；边坡快速检测；三维建模中图分类号：P231文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0028-05第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，20221前言随着云台+高清镜头组合技术的快速发展，无人机凭借其易用性和良好的操控性，为其在工程检测领域的应用和发展提供了重要的技术支撑1。边坡检测是高速公路管理养护过程的重要一环，对边坡营运期间的健康监测、养护设计具有重要的指导作用，是高速公路安全营运的有力保障。但是营运高速公路边坡检测任务量大且检测设施损毁情况频发，养护作业人员无现场检查作业条件，故需要运用无人机技术对边坡进行检测2-3。传统无人机技术通过三维建模能够实现复杂地质边坡的重建，结合算法实现地质信息的数字化和可视化，但是需要有控制点才能对边坡实现精确航测，而高速公路在营运期间车流量较大、安全风险较高，难以布置合适的控制点。基于此，以带有实时动态（Real-Time Kinematic，RTK）模块的无人机作为边坡检测航拍工具，可以减轻因无控制点对成像质量造成的影响。Phantom 4RTK无人机的RTK模块能够为无人机提供实时厘米级定位数据，进而实现免像控航测技术，无需控制点就能进行较为精确的航测。通过对广乐高速中山顶隧道营运边坡进行航测，探索免像控无人机技术在边坡检测中的应用前景。2免相控无人机工作原理及边坡快速检测方法普通无人机采用的GPS技术无论是进行动态还是快速静态测量，均需要通过后续解算才能达到厘米级别的结算精度，无法实现实时精确定位。RTK实时动态差分定位技术通过增设的地面基准站消除GPS信号在传输过程中产生的对流层和电流层等误差，并将误差信息反馈给各个流动站（如无人机）后由流动站进行误差修正，基于基准站和流动站的空间相关性，最终实现实时的厘米级别精准定位，如图1所示。2.1无人机免像控航测原理Phantom 4 RTK无人机通过RTK模块能够实现所有航测照片均达到厘米级的精确定位。通过TimeSync（时间同步）精准数据采集系统，将飞控、相机与RTK的时钟系统实现微秒级的同步，有效减少了位置信息与相机的时间误差，打通了RTK模块、28飞控模块及相机云台模块之间的通讯和同步，获取到了航测影像的精确位置信息。高精度的RTK模块、TimeSync精准数据采集系统和高精度三轴云台是完成免像控航测的关键。无人机航测，原理是通过云台搭载高分辨率相机获取航测目标的图像和地理位置信息，利用计算机处理图像信息并进行影像的特征提取和匹配。由摄像点、摄影中心和物点三者之间的共线关系得到像物的关系模型4：x-x0=-fa1()X-Xs+b1()Y-Ys+c1()Z-Zsa3()X-Xs+b3()Y-Ys+c3()Z-Zs（1）y-y0=-fa2()X-Xs+b2()Y-Ys+c2()Z-Zsa3()X-Xs+b3()Y-Ys+c3()Z-Zs（2）式中：f像片主距；x、y像点像平面坐标；x0、y0内方位元素坐标；X、Y、Z地面点的物方空间坐标；XS、YS、ZS摄影点的物方空间坐标；ai、bi、ci3个外方位角元素组成的方向余弦（i=1，2，3）。结合约束光束法区域网平差来确定航测图的位置信息和姿态，即用每张像片的3个角元素和3个线元素以及每个物方点的三维坐标信息，来替代像控点的作用5。2.2营运高速公路边坡类型基于无人机在潮惠、包茂、罗阳、广乐等多条广东省境内高速公路边坡检测工作为基础6，发现限制边坡检测效率的原因主要为公路边坡本身的灾害情况（滑坡、坡面裸露、排水设施缺失等）、地理环境条件（主要为植被生长情况）以及边坡结构设施情况（主要为检查梯道的缺失）。作者基于高速公路营运边坡的地质灾害、地理环境和检查设施情况，将边坡分为8种类型（表1），针对不同的边坡类型选择适宜的边坡快速检测方法。2.3边坡快速检测方法（1）免相控无人机巡查Phantom 4 RTK无人机通过免像控技术对目标高速公路边坡进行正射或倾斜拍摄，由于营运高速公路车况复杂，加上存在飞行器禁飞区域，需要事先通过无人机配套软件进行航线规划，保证无人机卫星卫星卫星卫星流动站接收电台GPS接收机解算误差信息计算到基准站的距离确定自身目标计算卫星信号传输误差基准站传输误差信息GPS接收机发射电台图1RTK技术原理边坡类型abcdefgh边坡灾害情况无明显灾害无明显灾害无明显灾害无明显灾害存在明显灾害存在明显灾害存在明显灾害存在明显灾害地理环境情况植被茂盛植被茂盛植被不茂盛植被不茂盛植被不茂盛植被不茂盛植被茂盛植被茂盛检查设施情况检查梯道完整检查梯道缺失检查梯道完整检查梯道缺失检查梯道缺失检查梯道完整检查梯道缺失检查梯道完整检测模式无人机航测无人机航测人工+无人机航测无人机航测无人机航测+三维建模人工+无人机航测无人机航测+三维建模无人机航测+三维建模表1营运高速公路边坡类型第10期林 森，等：基于免像控无人机技术的高速公路边坡快速检测方法研究第58卷29的飞行拍摄顺利进行。无人机飞行航测过程中通过飞行软件可以生成实时的二维实景模型，由边坡二维模型对检测区域进行初步的快速健康筛查，再根据边坡健康状态选择性地安排无人机航测的精细度，能够有效提升边坡快速检测的效率。（2）巡查时间以潮惠和广乐公路部分边坡为应用场景，对比“纯人工”和“人工+无人机”两种模式对相同边坡快速检测的效率，如表2所列。对比结果表明，相较于传统的“人工”检测方法，在植被茂盛或边坡检查设施缺失的情况下，“人工+无人机”的检测模式能够较好地识别边坡的灾害问题。广东地区常年高温多雨，地质灾害频发，边坡结构也易于损坏，加上边坡周边植被茂盛、虫蛇较多，“人工+无人机”的检测方法在大量减少边坡快速检测的时间和经济成本的同时也能够有效提升边坡健康快速筛查的效率，保障检测人员的安全。（3）边坡有效检测范围传统人工检测需要借助检查梯道、边坡截水沟等边坡结构设施进行边坡病害目测筛查，检测范围主要局限于梯道和排水设施周边较小的面积范围。借助无人机航拍及三维建模可以对远离检查梯道的边坡范围，如高边坡的坡面、坡顶及植被遮挡区域进行详细检查，扩大边坡的有效检测范围，为边坡安全风险状态的科学评估提供依据。由于检测条件和费用的限制，在传统人工检测中边坡红线以外的区域经常被忽视。然而大量地质灾害实例表明，在营运期，红线以外的边坡山体是导致边坡发生地质灾害的重要原因。通过对边坡山体进行无人机航拍进行三维建模，可以有效筛查边坡山体的危石、坍塌和洪水等地质灾害，结合边坡与山体的依附关系对边坡的安全风险进行有效评估并采取合理有效的管控措施。3工程应用无人机航测在边坡快速检测工程中的应用在较大程度上改善了复杂环境下高速公路边坡快速检测的难题，减少了人工检测下易发生的漏检和难检情况，能够对营运边坡的地质灾害和结构损坏情况有更加细致的了解。但是仅凭无人机航测照片只能对边坡的健康状况有个定性的了解，无法对边坡的灾害情况（平台硬化缺失面积、坡面裸露面积、截水沟缺失长度等）定量掌握。作者结合现有无人机航测技术和倾斜摄影三维建模技术，将“人工+无人机航测”模式的边坡快速检测方法应用于相关的高速公路营运边坡检测工程。首先，由无人机对边坡进行快速航拍，了解所观测边坡的周边地理环境；其次，结合航测图像边坡桩号左侧K1 180+851K1 180+971右侧K1 230+271K1 230+584右侧K1 250+690K1 250+920左侧K1 263+518K1 263+678右侧K1 272+031K1 272+177检测模式人工人工+无人机人工人工+无人机人工人工+无人机人工人工+无人机人工人工+无人机灾害识别情况由于植被过于茂盛未发现截水沟缺失截水沟缺失、平台硬化缺失、坡面裸露边坡地形险峻，无法对边坡详细检查坡面冲沟、坡面冲刷、截水沟堵塞由于植被茂盛，多处坡面裸露未被发现4处坡面裸露、方格骨架破损仅发现3处边坡裸露8处边坡裸露植被茂盛，未发现二级平台硬化缺失一级、二级平台硬化缺失、3处边坡裸露耗时/min6384184972611309表2两种快速检测模式对比2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷30信息判断边坡的地质灾害和结构损坏情况，进而确定边坡的健康状态；最后，通过倾斜摄影三维建模技术建立重点边坡三维实景模型。基于边坡三维实景模型进行初步定量灾害评估，为边坡后续的养护设计和施工提供科学依据。3.1无人机航拍巡检通过对目标边坡进行无人机航拍巡检，结合边坡地理环境、当地天气情况和边坡结构信息选择合适的镜头拍摄模式、云台角度和飞行路线，无人机快速检测流程如图2所示。3.2三维建模基于无人机航拍巡检情况，对发生地质灾害（截水沟设施缺失、冲刷、滑塌）的边坡进行无人机倾斜摄影三维建模，通过边坡的三维模型信息对发生地质灾害的部位和灾害情况进行更为精确的筛查和诊断。潮惠高速公路莲花山2号隧道惠州端边坡为三级坡，边坡现状如图3所示。人工检测发现存在大面积的坡面裸露情况，由于隧道洞口边坡面积较大，且地势险峻，坡面坡角接近于直角，边坡红线外植被茂盛，检查梯道无法正常使用，难以对边坡进行全面的人工检测。由前述边坡的分类可知，莲花山2号隧道惠州端边坡属于h型边坡，即存在明显的地质灾害（坡面裸露）、植被茂盛、检查梯道完整等情况，应采用“无人机航测+三维建模”的检测模式对边坡进行更为详细的地质灾害识别。通过无人机航拍巡检发现莲花山2号隧道惠州端边坡存在坡面裸露和易发生滑塌的危险区域等问题。通过对无人机航拍图片进行三维建模，模型如图4所示。3.3发现的边坡灾害情况结合无人机航拍巡检和三维模型信息，发现莲花山2号隧道存在的地质灾害情况如图5所示。（1）靠近隧道右洞端墙处受雨水冲刷导致坡面裸露。（2）隧道右洞仰坡局部坡面受雨水冲刷导致坡面裸露。（3）隧道左洞仰坡靠近铁塔的边坡受雨水冲刷发生崩塌。3.4边坡处置措施基于边坡三维模型，通过对莲花山2号隧道边坡的边坡裸露面积和崩塌面积进行测量，可以为后期的边坡地质灾害处置提供设计依据。结合无人机快速检测资料，针对莲花山2号隧道惠州端边坡存在的问题，为保障高速公路安全通行，提出以下养护处置方案。（1）对于第一级边坡隧道右洞出口局部裸露处，采用厚层基材绿化防护。（2）针对隧道右洞仰坡存在的问题，采用主动图2无人机快速检测流程无人机起飞准备环境观察地理信息气候信息边坡信息参数选择镜头模式云台角度