无人机数据采集系统在公路养护中的应用展望

       近几年，经过大规模的公路建设，全国公路网络的结构趋于合理，预计公路建设将进入相对稳定期，公路养护和恢复重建将成为行业主流。因此道路养护工作在今后一段时间内都是交通运输管理领域的一个重点发展方向，其技术的进步产生非常大的经济效益和社会效益。

　　道路养护检测技术现状

　　随着公路建设的迅速发展，公路质量检测技术随之不断进步。虽然我国在这方面起步较晚，但是我国已经初步建立了较为规范的行业体系，取得了长足的进步。国内外现代公路质量检测技术都是逐步从人工检测技术向自动化检测技术发展，传感器技术和计算机技术的广泛应用大大促进了这种发展的进行。目前绝大部分道路检测都依赖于综合道路检测车，智能道路检测车以机动车为平台，搭载计算机系统，综合应用光、机、电、算及3S技术，装备的高分辨率线阵图像采集系统可以采集公路路面图像，用以识别路面裂缝、坑槽等路面病害，激光结构光三维测量系统可以连续测量路面车辙数据，多目CCD立体测量系统可以有效捕捉公路沿线立体景观图像，惯性补偿激光测距系统则能精确的对公路平整度指数进行连续式测量。但道路检测车主要面对的是路面平整度、公路裂缝度、公路承载能力、路面抗滑能力、路面车撤等路面资产的状况，主要集中在路面资产管理方面的技术指标的检测，而边坡检测、桥梁检测、隧道检测等往往需要专业检测车辆和设备，成本较高，使得整个公路行业特种检测和维护工作处于滞后状态。

　　无人机技术在养护数据采集方面的应用

　　随着技术的不断革新，挂载多种负载的无人机技术已趋于成熟，无人机可以挂载照相机、摄像机、雷达等多种负载，可单独挂载也可以综合挂载，辅以高精度导航系统和控制系统，就可以成为精度高、成本低的利器。

　　在交通运输领域，无人机已经得到一定程度的应用，例如在勘察设计阶段使用无人机获取影像资料和地形图，在应急救灾方面使用无人机快速获取受灾状况，协助相关部门快速制定出准确的应急和处治方案等等。

　　无人机技术的高速发展为公路养护检测提供了一种全新的解决方案，无人机技术同计算机技术、传感器技术等联系紧密，将是未来公路检测的重要手段，所以目前国内外的研究人员都在进行着不断的研究和摸索。以桥梁检查为例，在日常的桥梁检查过程中，特别是一些大桥、特大桥就可以使用无人机挂载高清摄像机对整个桥梁结构进行观测检查，及时发现细微的病害，提前做出处治，延长桥梁的使用寿命，使整个桥梁维护工作降低投入成本和提高工作效率，桥梁也能够得到及时的养护和管理。

　　随着公路养护里程和养护等级的不断提高，管养技术人员和检测设备也显得相对缺少，日常的养护检测工作尚无法完全按照规范完成，公路的高边坡、长大桥梁、高路基等特殊构造物的日常巡查和养护工作更是存在较大的困难，而无人机技术的应用中可以快速缓解技术人员和设备不足的情况。目前公路的高边坡、桥梁墩台等构造物动辄几十米，高则上百米，如果

　　靠人工进行日常检查，既费时又费力，特别是很多高边坡、高路基因地势险峻，导致人和设备无法实施相关数据采集，面对一些山体滑坡、垮塌等灾害的前期迹象无法提前获知和预警，日常的检查维护工作很难完成，也是目前一些因边坡坍塌、路基下沉、山体滑坡导致重大事故发生原因。而无人机在这方面的应用，将大大提高日常检查和维护的效率，能够快速便捷的观测和检查每一个构造物的情况，对一些灾害发生前的迹象提前获知，及时采取安全措施，避免重大事故的发生，以及对安全隐患的处治提供准确、快速、直观的信息。

　　无人机技术在养护数据采集方面的优缺点

　　无人机类型较多，从无人机个体大小上大体上可分为以下4种:大型无人机、中型无人机、小型无人机和超轻型无人机。大型无人机和中型价格较贵，无论从技术上还是精度上基本上都可以达到有人操作飞机的效果，有效载荷和续航时间大，主要应用于军事方面，民用较少使用。综合考虑经济适用性和技术实用性，在公路养护数据采集方面多应用小型无人机和超

　　轻型无人机，虽然这两种机型飞行性能较差，所获取的航测影像在一般的摄影测量工作站上处理困难，需使用基于计算机视觉算法的摄影测量软件来处理，但飞机价格和负载价格都相对较为便宜且操作简便、便于携带，可以随时展开作业，适合公路养护数据采集的非连续性作业。随着摄影测量数据处理技术的日益提高，其适用性将会得到很大的提高。

　　无人机数据采集系统除无人机本身外，一般需在飞控系统上集成全球卫星导航定位系统(GNSS)、气压高度计、风速管和惯性测量单元(Inertialmeasurementunit，简称IMU)等导航设备以帮助其实现程控飞行。此外还需有地面控制站系统来控制无人机的起飞、降落，监控无人机的程控飞行和数据采集过程。数码相机也是无人机数据采集系统的重要组成部分，对于小型无人机和超轻型无人机，目前一般采用单反相机或者价格更为便宜的微型单反相机甚至是卡片机。对于较高的数据采集要求还可以挂载小型激光雷达设备和可量测航摄相机，在地面GNSS基站的支持下，可获取具有高精度地理位置的数据。

　　与传统公路养护数据采集手段相比较，无人机数据采集系统具有如下优缺点。优点:①成本低廉，影像获取快捷方便。小型无人机和超轻型无人机价格便宜，大多价值几十万元，单反相机加上光学镜头3万元左右;②携带方便，机动性强，工作连续性好，可随时随地部署到各种环境中，迅速进行数据采集作业，并可根据实际需要挂载多种负载，例如还可以挂载高清摄像头，对重要部位进行连续的观测，甚至可以通过数据链将实时的影像数据传送回总部或在现场实时监测，同时根据需求调度飞机进行数据采集部位的调整;③飞行要求低，多旋翼的飞机只要有相对空旷的场地既可以起飞，固定翼飞机无需专门跑道，只要有合适规格的

　　平地均可起飞，还可以弹射起飞;④时效性强，数据采集完毕后现场就可以对数据进行粗略检视，对重点部位可以进行重复观测，可快速有效监测道路状态实际情况。缺点:①小型和超轻型无人机质量小，受气流的影响较大，所以姿态稳定性差，所获取的像片旋偏角和航偏角均不容易控制;②当采用一般的单反相机和镜头的时候，与可量测相机获取的影像比较，影像的畸变特别严重，特别是距离成像主点远的像幅边缘处;③由于无人机的航高和相机限制，所获取的像幅小，为了防止出现测区漏拍的情况，需要提高航向重叠和旁向重叠，导致影像数量很大;④高程精度较差，立体模型数目很多，制作正射影像时模型切换频繁，影响作业效率。

　　根据上述无人机的优缺点，可以针对不同的检测作业采用相应的无人机机型和机载设备，比如检测一般的路面裂缝，只需要挂载单反相机即可，若是需要检测平整度或车辙，就需要挂载微型激光设备，并且需要地面差分基站的支持来获取高精度的平面和高程信息，其他方面的检测也是如此，要是只需要检测一下道路资产的表面状况，不需要精确的地理位置，那么一般的无人机挂载较为便宜的相机即可，若是需要精确的平面和高程以及高分辨率的正射影像则需要挂载高精度的甚至是可量测相机并辅以微型激光测量设备。

　　结语

　　无人机航测技术作为一种成本低廉、快速有效的数据采集手段，弥补了传统公路养护数据采集技术和设备难以满足生产需求的不足，提高了公路养护数据采集作业的效率和精度，在困难地区大幅提高了检测人员的安全保障系数，在公路养护数据采集中有着广阔的应用前景。

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