一、工程背景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，在各種基礎(chǔ)建設(shè)過(guò)程及后期運(yùn)行中，為了解其運(yùn)行狀態(tài)，均需要對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

常規(guī)變形監(jiān)測(cè)主要有點(diǎn)式監(jiān)測(cè)和面狀監(jiān)測(cè)。點(diǎn)式監(jiān)測(cè)即建造觀測(cè)墩，通過(guò)測(cè)量離散點(diǎn)的變形代替整體變形，這種方式測(cè)量結(jié)果精確、變形部位表達(dá)明確，但存在野外工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)且耗時(shí)耗力、連續(xù)性不足、細(xì)節(jié)性缺乏和接觸式不便等缺點(diǎn)。面狀監(jiān)測(cè)主要有近景攝影測(cè)量法、地面三維激光掃描法和地基SAR干涉測(cè)量法等。近景攝影測(cè)量法成本低，但由于各基礎(chǔ)設(shè)施表面紋理不足，容易受到距離和環(huán)境的限制，難獲得較好的精度和較全面的信息。地面三維激光掃描法和地基SAR干涉測(cè)量法雖然測(cè)量結(jié)果精度較高，但由于設(shè)備附件多，價(jià)格昂貴，運(yùn)輸、安裝和遷站困難，也難以在大型基礎(chǔ)設(shè)施工程中實(shí)施。

因此，為了提高大型基礎(chǔ)設(shè)施變形監(jiān)測(cè)的可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、高效性和精確性，本公司研發(fā)出一套移動(dòng)式、低成本、高精度的邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—基于無(wú)人機(jī)的高精度變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低成本、高精度、移動(dòng)式測(cè)量為核心目標(biāo)，融合無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航技術(shù)、圖像識(shí)別算法和亞像素定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)三維變形的毫米級(jí)測(cè)量。

二、系統(tǒng)方案

結(jié)合無(wú)人機(jī)及工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在地面布設(shè)反光標(biāo)志點(diǎn)，無(wú)人機(jī)搭載高質(zhì)量工業(yè)相機(jī)，依據(jù)規(guī)劃航線自主飛行，自動(dòng)采集圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像處理算法，最終實(shí)現(xiàn)較大范圍的高精度變形測(cè)量，精度可達(dá)2mm。

三、技術(shù)原理

1. （1）拍攝一系列具有一定重疊度的照片
2. （2）根據(jù)同一標(biāo)志點(diǎn)在多張照片上的成像，恢復(fù)它的三維信息
3. （3）通過(guò)變形前后標(biāo)志點(diǎn)的三維信息得到位移量

四、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

該系統(tǒng)即能體現(xiàn)移動(dòng)攝影測(cè)量的低成本、高效性和靈活性，又具有較高的測(cè)量精度，能夠同時(shí)滿足邊坡變形監(jiān)測(cè)的可實(shí)施性、高效性和精確性。系統(tǒng)特色和優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1. （1）自動(dòng)化：無(wú)人機(jī)依航線飛行，數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化；
2. （2）成本低：標(biāo)志點(diǎn)成本低，無(wú)人機(jī)和軟件算法等都可以共享；
3. （3）精度高：標(biāo)志點(diǎn)圓心定位精度為亞像素級(jí)，變形測(cè)量精度達(dá) 2 mm；

五、技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1）數(shù)據(jù)采集

1. （1）自主研發(fā)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，續(xù)航時(shí)間40分鐘以上；
2. （2）搭載高質(zhì)量工業(yè)相機(jī)：噪聲少、畸變小、快門(mén)時(shí)間短；
3. （3）航線預(yù)先規(guī)劃，一鍵起飛，自動(dòng)采集圖像數(shù)據(jù)；

2）數(shù)據(jù)處理

1. （1）自主開(kāi)發(fā)圖像算法軟件，自動(dòng)輸出變形測(cè)量結(jié)果；
2. （2）實(shí)現(xiàn)照片中標(biāo)志點(diǎn)的精確識(shí)別及亞像素級(jí)定位；
3. （3）從一系列二維相干照片中求解標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；
4. （4）基于變形模式約束的光束平差算法優(yōu)化標(biāo)志點(diǎn)三維變形量；

六、應(yīng)用案例

 

該技術(shù)在南水北調(diào)中線工程河南段膨脹土邊坡變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)開(kāi)展示范性應(yīng)用，與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果相比偏差小于2mm。