呂夢　謝亮　高昆

【摘 要】根據(jù)無人機(jī)的特點(diǎn)和高速公路邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查的特點(diǎn)，從無人機(jī)機(jī)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(jì)來調(diào)整相機(jī)參數(shù)來保證質(zhì)量提高實(shí)用性，同時(shí)制定了無人機(jī)邊坡養(yǎng)護(hù)巡查方案，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性；同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能提高工作效率、降低工作強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；高速公路邊坡；養(yǎng)護(hù)巡查

中圖分類號(hào)： S157；U415；V19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.062

隨著科學(xué)技術(shù)和航空工業(yè)的快速發(fā)展，無人機(jī)的性能不斷提高、功能日益完善，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于電力、石油、農(nóng)業(yè)、通信等多個(gè)領(lǐng)域。邊坡作為山區(qū)高速的重要組成部分，其養(yǎng)護(hù)巡查一直是道路巡查工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查主要依靠人工巡查，危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)費(fèi)力，且部分邊坡由于地形、工具等限制容易形成巡查盲點(diǎn)。為此，本文對(duì)無人機(jī)在邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期能夠提高巡查工作效率、降低危險(xiǎn)性，對(duì)無人機(jī)在巡查中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 無人機(jī)巡查平臺(tái)選取原則

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

本文在選擇邊坡巡查的無人機(jī)機(jī)型時(shí)，主要考慮無人機(jī)工作環(huán)境特征、執(zhí)行的任務(wù)需求、操控性以及性價(jià)比四個(gè)方面。

（1）環(huán)境特點(diǎn)。高速公路邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查是一個(gè)常規(guī)性的工作，不會(huì)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(jī)飛升、降落的場地非常有限（一般情況下，只有應(yīng)急車道可用）。同時(shí)，高速公路邊坡周邊環(huán)境復(fù)雜、戶外氣候多變，要求無人機(jī)具有很好的靈活性。

（2）任務(wù)特點(diǎn)。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(jī)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(hù)巡查人員幾乎都不具備無人機(jī)操控的經(jīng)驗(yàn)，高速公路養(yǎng)護(hù)部門需要組織巡查人員學(xué)習(xí)無人機(jī)的相關(guān)操作。因此要求無人機(jī)操作需盡量簡單、容易掌握，以免花費(fèi)巡查人員更多的時(shí)間和精力。

（4）性價(jià)比。無人機(jī)應(yīng)用于邊坡巡查時(shí)，除考慮其性能是否滿足巡查要求，還應(yīng)該考慮其成本。無人機(jī)價(jià)格太昂貴不僅會(huì)加大養(yǎng)護(hù)資金的投入，還會(huì)給巡查人員帶來心理壓力，所以需結(jié)合需求考慮性價(jià)比。

綜上，本文選用旋翼無人機(jī)用于邊坡的日常養(yǎng)護(hù)巡查。

2 無人機(jī)邊坡養(yǎng)護(hù)巡查應(yīng)用

由于目前邊坡日常養(yǎng)護(hù)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(duì)邊坡病害進(jìn)行量化的判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)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(duì)邊坡狀態(tài)判讀的重要信息源，其質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響后續(xù)巡查人員對(duì)邊坡狀態(tài)判讀的準(zhǔn)確性。因此，航攝質(zhì)量對(duì)于邊坡巡查至關(guān)重要，制定航攝方案時(shí)需考慮對(duì)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(jī)是利用光學(xué)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(shí)被拍攝物體反射出來的光線進(jìn)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(jī)航攝系統(tǒng)對(duì)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(shí)間、季節(jié)、投射方式以及地域，但具有較強(qiáng)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(shí)用性和可操作性，可借鑒攝影師們經(jīng)過長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出的黃金曝光律，結(jié)合太陽光照強(qiáng)度的變化規(guī)律對(duì)曝光組合進(jìn)行調(diào)整。

2.1.2 飛行質(zhì)量控制

利用無人機(jī)巡查應(yīng)避免采集區(qū)被遺漏的情況，保證采集的影像不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)模糊并能夠?qū)吰聽顟B(tài)進(jìn)行判讀。主要從重疊度、影像移值、地面采樣間隔對(duì)其進(jìn)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(yīng)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(gè)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(duì)漏洞”和雖然被覆蓋但沒有達(dá)到所要求重疊度的“相對(duì)漏洞”。目前主要用于人工判讀，對(duì)航攝像片的精度要求不高，只需要保證不出現(xiàn)絕對(duì)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(dòng)、無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)等使得在對(duì)地物拍照的瞬間，拍攝的物體和感光元件之間存在相對(duì)移動(dòng)。地面點(diǎn)的像點(diǎn)變成一條直線而不再是一個(gè)點(diǎn)，像移會(huì)造成圖像質(zhì)量退化，導(dǎo)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(jī)一般攜帶的成像設(shè)備是數(shù)碼相機(jī)而不是膠片相機(jī)，鑒于數(shù)碼相機(jī)與膠片相機(jī)成像原理的不同，傳統(tǒng)的“鏡頭焦距/攝影比例尺=航高”的計(jì)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(jī)鏡頭主焦距之間存在關(guān)系[2]：

GSD=（1）

式中，H表示無人機(jī)的航拍高度；f表示相機(jī)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(jī)距離航攝分區(qū)平均基準(zhǔn)面的相對(duì)高度。GSD的選取直接決定了無人機(jī)采集的邊坡圖像能否滿足巡查人員的對(duì)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(jì)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(dāng)邊坡高度超過20m時(shí)，為保證邊坡的穩(wěn)定性會(huì)在邊坡的坡面上沿縱向做成一定寬度的平臺(tái)，形成了多級(jí)臺(tái)階狀的邊坡。無人機(jī)進(jìn)行邊坡巡查時(shí)，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(jì)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(jī)進(jìn)行圖像采集時(shí)，將坡面和截水溝分開進(jìn)行。

2.2.2 航攝參數(shù)設(shè)置

（1）航高

相機(jī)云臺(tái)是搭乘在無人機(jī)上進(jìn)行作業(yè)的，主要通過控制無人機(jī)的航高來改變相機(jī)的拍攝距離（相機(jī)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(duì)航高作為無人機(jī)在邊坡巡查過程中的狀態(tài)監(jiān)控指標(biāo)。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(duì)航高H相對(duì)可由攝影物距計(jì)算得到，采取不同航線，相應(yīng)的相對(duì)航高計(jì)算方法也不相同。

2.2.3 航線分類

（1）非臺(tái)階狀邊坡

非臺(tái)階狀邊坡的坡面傾斜角一般不變或者變化不大。對(duì)于未設(shè)截水溝的邊坡，整個(gè)邊坡的表面相當(dāng)于一個(gè)完整平面，則不需要?jiǎng)澐趾綌z區(qū)域。對(duì)于設(shè)有截水溝的情況，坡面和截水溝需要分開采集。

（2）臺(tái)階狀邊坡

臺(tái)階狀邊坡外形類似于臺(tái)階，整個(gè)坡面是由各級(jí)“臺(tái)階”的側(cè)面和頂面組成。航攝時(shí)將坡面按“臺(tái)階”拆分成一個(gè)個(gè)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(dāng)各級(jí)坡面的傾角相同時(shí)，即β1=β2=β3=β，無人機(jī)拍攝時(shí)相機(jī)鏡頭可以保持相同的傾角θp完成整個(gè)坡面的拍攝；當(dāng)各級(jí)坡面的傾角不相同時(shí)，即β1≠β2≠β3，無人機(jī)每巡查完一級(jí)坡面則需要調(diào)整相機(jī)鏡頭的傾角。拍攝時(shí)，盡量使相機(jī)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(shí)例驗(yàn)證

通過對(duì)比目前市場上主流無人機(jī)航攝平臺(tái)，本文選擇了大疆無人機(jī)“悟”Inspire 2對(duì)漢寧高速公路中樁號(hào)為K1308+450的邊坡進(jìn)行養(yǎng)護(hù)巡查實(shí)驗(yàn)。漢寧高速邊坡K1308+450位于寧強(qiáng)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(tái)階狀邊坡，共有五級(jí)臺(tái)階，邊坡整體高為41m、坡腳約為45°。航攝實(shí)驗(yàn)在春季進(jìn)行的，邊坡海拔高度為420米、緯度為33°，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天多云。在相機(jī)感光度ISO 100不變的情況下。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用無人機(jī)采用本文提出的巡查方案可以輔助巡查人員實(shí)現(xiàn)邊坡巡查工作。相對(duì)人工巡視來說，工作效率提高了43.5%。同時(shí)，巡查人員表示大幅度減輕了他們爬坡的工作強(qiáng)度。將每處邊坡的樁號(hào)和經(jīng)緯度一一對(duì)應(yīng)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(duì)無人機(jī)在高速公路邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查方面的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)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(jìn)行了探討，在邊坡巡查中根據(jù)光照強(qiáng)度的變化，采用曝光估計(jì)的方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于室外作業(yè)實(shí)用性更強(qiáng)。根據(jù)巡查需要將邊坡分為臺(tái)階狀和非臺(tái)階狀，分析各自的特點(diǎn)采用不同的航攝方式。實(shí)驗(yàn)表明，無人機(jī)可以完全可以滿足高速公路邊坡日常養(yǎng)護(hù)巡查的要求和需要，提高工作工、降低爬坡帶來的工作強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。

【參考文獻(xiàn)】

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