一、工程背景

随着国民经济的发展，我国基础设施建设正进入飞速发展时期，在各种基础建设过程及后期运行中，为了解其运行状态，均需要对其进行变形监测。

常规变形监测主要有点式监测和面状监测。点式监测即建造观测墩，通过测量离散点的变形代替整体变形，这种方式测量结果精确、变形部位表达明确，但存在野外工作劳动强度大、周期长且耗时耗力、连续性不足、细节性缺乏和接触式不便等缺点。面状监测主要有近景摄影测量法、地面三维激光扫描法和地基SAR干涉测量法等。近景摄影测量法成本低，但由于各基础设施表面纹理不足，容易受到距离和环境的限制，难获得较好的精度和较全面的信息。地面三维激光扫描法和地基SAR干涉测量法虽然测量结果精度较高，但由于设备附件多，价格昂贵，运输、安装和迁站困难，也难以在大型基础设施工程中实施。

因此，为了提高大型基础设施变形监测的可实施性、经济性、高效性和精确性，本公司研发出一套移动式、低成本、高精度的边坡变形监测系统—基于无人机的高精度变形监测系统。该系统以低成本、高精度、移动式测量为核心目标，融合无人机的自主导航技术、图像识别算法和亚像素定位技术，可以实现对全场三维变形的毫米级测量。

二、系统方案

结合无人机及工业摄影测量技术的优势，在地面布设反光标志点，无人机搭载高质量工业相机，依据规划航线自主飞行，自动采集图像数据，通过图像处理算法，最终实现较大范围的高精度变形测量，精度可达2mm。

三、技术原理

1. （1）拍摄一系列具有一定重叠度的照片
2. （2）根据同一标志点在多张照片上的成像，恢复它的三维信息
3. （3）通过变形前后标志点的三维信息得到位移量

四、系统优势

该系统即能体现移动摄影测量的低成本、高效性和灵活性，又具有较高的测量精度，能够同时满足边坡变形监测的可实施性、高效性和精确性。系统特色和优势主要体现在以下三个方面：

1. （1）自动化：无人机依航线飞行，数据采集自动化，数据处理自动化；
2. （2）成本低：标志点成本低，无人机和软件算法等都可以共享；
3. （3）精度高：标志点圆心定位精度为亚像素级，变形测量精度达 2 mm；

五、技术实现

1）数据采集

1. （1）自主研发无人机系统，续航时间40分钟以上；
2. （2）搭载高质量工业相机：噪声少、畸变小、快门时间短；
3. （3）航线预先规划，一键起飞，自动采集图像数据；

2）数据处理

1. （1）自主开发图像算法软件，自动输出变形测量结果；
2. （2）实现照片中标志点的精确识别及亚像素级定位；
3. （3）从一系列二维相干照片中求解标准点的三维坐标；
4. （4）基于变形模式约束的光束平差算法优化标志点三维变形量；

六、应用案例

 

该技术在南水北调中线工程河南段膨胀土边坡变形监测中已经开展示范性应用，与水准测量结果相比偏差小于2mm。