三维地图模型在高速公路养护管理的应用实践

　　项目总体介绍

　　广西新发展交通集团有限公司北海高速公路运营分公司(下称北海运营分公司)主要负责柳北高速张黄至合浦石湾段、柳北高速合浦石湾至北海段、兰海高速那丽至山口段、南湛高速张黄至博白那卜段收费、养护及其附属设施的经营管理，管养里程211.185公里，所辖高速公路是连接北部湾城市群的重要节点，是我区推进西部陆海新通道建设的重要组成部分，也是连接粤桂两省区的重要枢纽。北海运营分公司管养路段位于西南沿海地区，管辖路段日均车流量约5.68万辆，日车流量最高可达17.59万辆，部分高速公路基础设施运行时间超20年，且部分路段位于沿海丘陵地带，属于花岗岩分布区，岩体风化程度较强，风化带普遍较厚，部分路段边坡土质主要为砂性土，受亚热带季风影响，台风、暴雨等极端恶劣天气频发，在雨水渗透等作用下，边坡容易发生失稳现象，边坡灾害发生的风险随之上升，对高速公路养护管理及安全保畅带来巨大挑战。

　　1 高速公路运营管理现状与挑战

　　传统的高速公路养护工作开展流程基本是外业调查病害、内业汇编病害信息、下发维修计划。其中外业调查病害主要通过步行排查路况、车巡排查路面、无人机航拍调查等方式开展，不足之处主要在于步行排查耗时费力，一名养护技术人员一天排查里程在12km左右，在路况监测方面，人工巡检覆盖率不足30%(交通运输部科学研究院，2022)，且难以全面覆盖高边坡、桥梁等区域，重点路段病害识别存在48-72小时响应延迟;车巡速度较快但覆盖的范围有限，调查不全面，特别是对高边坡、管养域外风险排查存在盲区;常规的无人机巡查基本是拍照片、视频开展调查，无法体现出病害的尺寸信息，仍需要现场二次复核。因此，急需寻求能采集高速公路全路段各项信息，并能在电脑上随在线观看现场情况的的技术。近年来，民用小型航空器发展迅速，除航拍机型外还衍生出行业版(测绘版)无人机，基于行业版无人机摄影采集的图片可经过渲染生成带有坐标信息的高精度、高清晰度二维、三维地形模型。利用该模型，可永久保存某一时期高速公路的三维信息便于发生灾害时路况溯源;亦可开展高速公路病害调查，一步到位确认病害位置、尺寸、历史影像等关键信息，减少步行排查的次数，大幅提高养护工作效率和质量。利用现有多功能路况巡查车安装360全景摄像机，全方位采集及存储路段8K全景影像，实现路段管理桩号与影像资料的深度结合，方便路段公路资产管理及回溯。

　　2 项目建设及目标分析

　　2.1 搭建高精度三维地图管理平台

　　本项目依托科研院校技术实力，以校企合作方式完成三维地图模型建设，形成以三维实景模型为基础的数字化底座，实现各要素协同以及模型轻量化管理。包括三维地图模型平台使用及定制化开发，完成系统平台本地化部署，系统平台模块主要包括三维模型轻量化处理与展示交互模块、信息窗二三维关联与定位模块、养护信息上图定位与可视化模块、三维测量模块、工程基本信息概览、全景影像定位及信息管理模块。能实时加载和浏览三维地图模型数据，测量精确符合使用的要求(精确到米)。平台至少能同时加载超过60GB的倾斜摄影三维模型或正射影像，并且在甲方网络下能在30秒内全部加载完成、操作流畅。

　　2.2 构建空天地一体化感知体系

　　基本目标是通过无人机集群作业建立覆盖全路段的高精度三维数字底盘，要求模型分辨率≤10cm，关键设施(桥梁接缝、隧道断面)建模误差<10mm;功能层目标是开发集成养护概览、病害统计、一张图、实时交通及勘察资料等无大模块的管理平台，其中养护概览为日常管养基本情况预览，是对养护任务、路况质量及安全效能管理，病害统计是对历史病害信息管理及实时病害采集管理，一张图及勘察资料为影像资料存储，实时交通实现路段车流及服务水平监测;效益层目标聚焦管理效能提升，可远程就对重点点位的每一个细节进行详细查看，实现1秒定位查看边坡、桥梁、路基路面以及周边地形地貌，测量长度宽度高度、面积体积等数据，还可随意在模型上标注，模型能够为工程设计和施工方案的制定提供精准的参考，为工程设计和施工方案的制定提供精准的参考，符合智慧交通中高效施工和优化资源配置的理念，可以根据模型准确计算工程量，可减少部分现场工作调查时间90%以上，准确率达到98%，每年可运营成本100万元以上。

　　3 主要做法

　　3.1工程概况

　　管养高速公路位于广西东南部，长度211.185km，以道路中线为界左右各外扩65m-100m为测绘作业区域。沿线地形主要以低矮丘陵为主，跨越江河，传统的养护外业难以做到全覆盖，存在养护盲区。

　　3.2 影像采集设备

　　此次航摄使用的无人机为大疆御3E、Insta360 X5 8k Actiao cam，配套的系统功能组成与技术指标如表 1 所示，技术流程如图 1 所示。

　　表1 倾斜摄影系统功能组成与技术指标

　　图1 倾斜摄影实施流程

　　3.2.1航测前期准备

　　采集倾斜摄影影像前需实地踏勘待测区域，因无人机目前无法充分规避电线类障碍物，踏勘时应注意横跨高速公路的线缆高度。在此基础上，确认无人机采集影像的飞行高度、航向重叠度、旁向重叠度等参数，以面状航线开展外业采集工作[5]。

　　3.2.2倾斜摄影数据采集

　　为满足养护工作开展的实际需求，GCD地面分辨率需优于3cm，同时考虑沿线障碍物高度，将飞行高度设置为 100 m[6]。测区全长38km，沿线海拔高度高低起伏，为了确保采集的影像分辨率基本一致，开启实时仿地飞行功能。到达航线起点后开启遥控器及无人机，无人机安装RTK定位模块，遥控器连接手机热点，确保网络RTK连接正常，桨叶安装正确、稳固后即可上传航线任务一键开展采集作业。作业时间应避开光线不良、朝阳和夕阳等时段，避免采集的影像模糊、逆光，直接影像后续建模效果。案例工程采用定时拍摄的方式飞行28架次，共获取影像14722幅，面积4940130m2，以带状区域覆盖了38km高速公路。为确保顺利通过空中三角测量，需提前对采集的全部影像进行质检，验证相邻影像之间重叠度和旋偏角，之后筛选出模糊、信息缺失的影像，保证后续数据处理的精度、质量。经检查，所有照片信息完善，但有12幅照片因镜头摆动拍摄时拍到夕阳造成过曝，成像效果差且不能用于建模，即可用影像数量为14710幅。

　　3.3航测内业处理

　　3.3.1空中三角测量

　　案例工程使用大疆智图软件进行空中三角测量，该软件为大疆公司自研的配套软件，搭配御3E采集的倾斜影像可以提高空中三角测量运算速度。因案例工程未使用像控点约束，空中三角测量时直接使用默认参数即可开始重建，使用单台电脑主机耗时2h完成14710幅影像的计算工作，图2为本次空中三角测量部分点云成果。

　　图2 空中三角测量部分点云

　　3.3.2二维和三维数据生成

　　空中三角测量完成后可切换到AT界面，检查有无异常的相机位姿，无误后点击二维地图-高级设置-选择合适的坐标系，再点击三维模型-分辨率-选择“高”、点击高级设置-兴趣区域/分块-分块设置根据电脑内存选择合适的内存大小、回退一个界面三维模型勾选OSGB格式，至此点击开始重建即可等待软件渲染完成，图3是局部二维正射影像，图4为部分三维模型。

　　图3 二维正射影像(局部)

　　图4 三维模型(部分)

　　3.3.4 全景影像采集

　　基于三维全景地图，利用360全景摄像机对路况进行全方位扫描，可定期存储路段路况情况，对沿线路面设施、交安设施、绿化设施等情况进行快速查询和历史回溯，对管养隧道内部等有限空间或无人机无法飞行位置进行图像采集补充。通过便捷式支架设置于巡查车辆顶部，车速90-110Km/h进行图像采集。可支持8K、5.7K、4K(60Ffs、30Ffs、25Ffs)全景高精度拍摄，结合地图KML文件，形成图像结合桩号位置的管理数据，见图5。

　　图5 全景影像(部分)

　　3.3.3内业成果核查

　　对高速公路养护工作而言，考虑到外业的效率性，可适当降低绝对坐标精度的要求，保证相对测量数据的准确性即可用于辅助开展各项养护工作。本次内业成果核查见图6，现场测量3道标线长度为36.000m，通过二维正射影像查询长度为36.032m，相对误差0.09%，数据具有可用性。

　　图6 内业成果核查

　　4 取得成效

　　4.1数字资产全生命周期管理

　　对高速公路运营单位来说，运营一定时间后高速公路的地貌会受植被的影响而难以观察到地表具体情况，若想探究高速公路建设前的原始地貌或刚通车时的整体情况，排查有无地质隐患，往往比较困难，多数时候只能通过查阅竣工图纸来找到有用信息，耗费时间且不够直观。假设从建设时期到运营时期定期采集倾斜影像生成三维模型存档，就能形成一个更加直观、具体且能够实现道路档案数字化管理的高速公路三维底座，亦可通过两期三维模型同屏对比快速溯源地形变迁、土方开挖等情况，为隐患排查、养护决策提供直观的数据支持，真正做到数字资产全生命周期管理。

　　4.2 基于高清三维模型调查路况

　　高速公路日常养护主要以排查、修复各种小病害为主，在开展路基隐患排查时，受限于杂草丛生及人的视角，难以看到下边坡的实际情况，一些小的冲刷未能及时发现，无法做到“早发现，早处置”，在养护工作信息化不断发展的当下，如何提高发现病害的效率成了急需解决的问题。

　　而通过倾斜摄影渲染的高清晰度的三维模型，可以直观地看到路基上下边坡有无明显冲刷、裂缝等病害，发现病害也能根据桩号、测量工具得出病害的位置、尺寸等要素，图7为通过三维模型发现的路基冲刷病害。一名养护技术人员一个上午可对60km三维模型开展一次针对性排查，比传统人工步行每日排查12km的效率提高5倍以上。

　　极大地增强了养护团队的机动性与响应速度，为养护人力、作业成本的优化控制开辟了新路径。根据实际，每年需要开展全域路况调查4次，各类安全隐患调查至少4次，按每人每天可检查4km的路况计算，每年需要人工844.75个人工，每个养护站需要1辆车，每年车辆为1689.48台班，专业技术人员800元/工日，巡查车辆600元/台班，每年理论可节约运营成本100万元以上。

　　图7 通过三维模型发现病害

　　4.3基于贴近摄影三维模型检查桥梁

　　普通桥梁的经常性检查可通过望远镜目视开展，但对于高度在50m以上的高架桥，望远镜已然无法满足检查需求。目前常用的方式是使用桥梁检测车、无人机拍照或视频检查，但桥梁检测车使用成本高且无法覆盖全部桥梁高度，无人机检查存在只能粗略定位、无病害尺寸明细、无法直观展示病害的弊端。针对上述缺点可根据三维模型底座利用航线规划软件设定并导出贴近摄影航线，再次飞行采集近距离的桥梁影像用于生成毫米级分辨率的高清三维模型(大疆经纬4E自带此功能)，贴近摄影时应充分注意周围的障碍物，避免出现撞机造成损失。贴近摄影的三维建模流程与普通倾斜摄影的建模流程基本一致，只需把贴近摄影与倾斜摄影采集的影像同时导入大疆智图，重新开始空中三角测量及三维模型渲染即可得到毫米级精度的桥梁模型。

　　基于该模型可进行桥梁经常性养护工作，可放大到毫米级三维模型开展细致的桥墩、防撞墙病害检查，标注病害位置及尺寸，便于统计安排修复的同时也可用于病害发展趋势研究，为桥梁养护决策提供基础数据。

　　4.4基于二维正射影像生成高清地图

　　内业处理时在大疆智图中勾选二维地图并设置合适的坐标系，可生成result.TIF文件，该文件为携带坐标信息的大型图片，直接导入移动端地图软件加载速度缓慢，可利用图新地球软件把.TIF格式文件转换为.MBTILE”文件，案例工程中生成的.TIF格式正射影像占用空间15.7GB，转换后.MBTILES文件占用空间2.65GB。

　　把高清正射影像、桥梁构筑物标注文件导入到平台，可用于桥下开展桥梁养护检查时的精准定位，解决以往因桥梁跨数多导致辨别不了位置的痛点，图8是实际应用效果图。

　　图8 高清正射影像地图及桥梁标注

　　5 结语

　　无人机倾斜摄影结合三维建模技术，为高速公路养护领域带来了革新性突破，通过高精度三维建模与二维正射影像的融合应用，有效解决了以往养护方式效率低、调查的病害信息不全、外业依赖性强等痛点。未来，可基于高清三维模型、全景结合AI图像识别技术，实现病害自动检测、标注、汇总与趋势预测等功能，进一步加速高速公路养护从“经验驱动”向“数据驱动”转型。