一、工程背景

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正進入飛速發(fā)展時期，在各種基礎(chǔ)建設(shè)過程及后期運行中，為了解其運行狀態(tài)，均需要對其進行變形監(jiān)測。

常規(guī)變形監(jiān)測主要有點式監(jiān)測和面狀監(jiān)測。點式監(jiān)測即建造觀測墩，通過測量離散點的變形代替整體變形，這種方式測量結(jié)果精確、變形部位表達明確，但存在野外工作勞動強度大、周期長且耗時耗力、連續(xù)性不足、細(xì)節(jié)性缺乏和接觸式不便等缺點。面狀監(jiān)測主要有近景攝影測量法、地面三維激光掃描法和地基SAR干涉測量法等。近景攝影測量法成本低，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干涉測量法雖然測量結(jié)果精度較高，但由于設(shè)備附件多，價格昂貴，運輸、安裝和遷站困難，也難以在大型基礎(chǔ)設(shè)施工程中實施。

因此，為了提高大型基礎(chǔ)設(shè)施變形監(jiān)測的可實施性、經(jīng)濟性、高效性和精確性，本公司研發(fā)出一套移動式、低成本、高精度的邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)—基于無人機的高精度變形監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低成本、高精度、移動式測量為核心目標(biāo)，融合無人機的自主導(dǎo)航技術(shù)、圖像識別算法和亞像素定位技術(shù)，可以實現(xiàn)對全場三維變形的毫米級測量。

二、系統(tǒng)方案

結(jié)合無人機及工業(yè)攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢，在地面布設(shè)反光標(biāo)志點，無人機搭載高質(zhì)量工業(yè)相機，依據(jù)規(guī)劃航線自主飛行，自動采集圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理算法，最終實現(xiàn)較大范圍的高精度變形測量，精度可達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)志點在多張照片上的成像，恢復(fù)它的三維信息
3. （3）通過變形前后標(biāo)志點的三維信息得到位移量

四、系統(tǒng)優(yōu)勢

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

1. （1）自動化：無人機依航線飛行，數(shù)據(jù)采集自動化，數(shù)據(jù)處理自動化；
2. （2）成本低：標(biāo)志點成本低，無人機和軟件算法等都可以共享；
3. （3）精度高：標(biāo)志點圓心定位精度為亞像素級，變形測量精度達 2 mm；

五、技術(shù)實現(xiàn)

1）數(shù)據(jù)采集

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

2）數(shù)據(jù)處理

1. （1）自主開發(fā)圖像算法軟件，自動輸出變形測量結(jié)果；
2. （2）實現(xiàn)照片中標(biāo)志點的精確識別及亞像素級定位；
3. （3）從一系列二維相干照片中求解標(biāo)準(zhǔn)點的三維坐標(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)測中已經(jīng)開展示范性應(yīng)用，與水準(zhǔn)測量結(jié)果相比偏差小于2mm。