无人机航拍摄影在营运公路边坡病害检测中的应用研究

张青青，熊 剑，戴 巍

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

高速公路的经营和营运管理是我国国民经济的重要组成部分，对我国经济的发展起着推动作用。如何科学、合理、高效地开展营运公路养护工作是一项十分重要的课题。截至2019年底，广东省高速公路通车总里程已超过9 000km，随着高速公路建设向丘陵、山区的延伸，形成大量的边坡工程，受潮湿多雨和地质条件复杂多变的影响，广东地区公路边坡地质灾害发生较为频繁。为保障高速公路通行安全，定期对边坡进行技术状况检查尤为重要。

边坡检测的传统方式是人工爬坡巡查。人工爬坡工作效率不高、体力要求大，有一定的安全风险(南方雨季长，踏步湿滑，蛇虫叮咬，高空坠落等风险较大)，部分早期形成的边坡无检查梯时无法检查，坡面植被较多时也容易漏检，但是人工爬坡可以比较清晰准确地检查边坡各个部位的状况。

近年来，随着无人机技术的快速发展，其在农业、能源和矿产等多个行业得到广泛应用[1-4]。目前，无人机航拍技术在公路工程勘察设计和高陡边坡地质调查领域得到了一些初步应用。例如，文献[5]采用无人机摄影测量技术，实现高陡边坡的数字化岩体产状测量；文献[6]结合车载激光扫描与无人机低空摄影测量技术，成功应用于公路改扩建勘察设计地形图、地面线等基础资料的快速生成。调研已有的文献资料可知，关于无人机航拍摄影技术在营运公路边坡定期检测中的应用案例报道尚不多见。广东交科检测有限公司(原广东交通集团检测中心)自2017年将无人机航拍技术应用于高速公路边坡检测以来，经过较长一段时间的尝试与探索，已形成比较成熟的“人-机”结合边坡巡检模式，并在广东省30余条营运高速公路边坡检测中推广应用，较大提升了营运高速公路边坡检测的效率和检测数据的准确性，为边坡风险预警和处治加固提供了科学客观的依据。

本文基于近年来开展的边坡检测工程实践，结合广东省山区营运高速公路边坡病害特点和典型案例，对无人机航拍技术的应用状况进行分析，并就当前公路边坡“无人机航拍+人工巡检”模式的实施要求和不足之处进行讨论。此外，结合笔者对无人机应用的体会和认识，对今后该技术的工程应用提出建议。

1 广东省营运公路边坡病害的特点

1.1 气候与工程地质特性

广东省地处我国大陆最南部，属于东亚季风区，年平均气温高，雨季长，持续性强降雨密集。广东地区地形大致北高南低，由低山丘陵过渡为台地、平原，地质构造特征复杂，岩石地层多样，不同地层的工程特性显著。自震旦纪以来，各个时代的沉积层均有分布，以碎屑岩为主的红层、碳酸盐岩出露面积均达到7 000余km2，各期次喷出岩、侵入岩大量产出，以花岗岩为主的侵入岩可占全省面积的1/3。同时，沉积岩变质作用形成的片麻岩及花岗岩变质作用形成的混合岩均广泛存在。

此外，由于气候炎热，雨量充沛，风化壳和残积土层普遍发育，厚度达10～50m，断裂破碎带附近，风化深槽可达100m[7]。因此，广东省边坡坡体风化层厚度通常较大，按地层岩性可视作类土质边坡或二元结构边坡。

1.2 营运公路边坡病害特征

公路边坡病害表现形式多样，主要包括滑坡、崩塌、错落、坍塌及坡面病害等。滑坡、崩塌、错落、坍塌的发生，会对原有边坡的总体坡度产生影响。根据广东省区域地质环境，参考广东省边坡病害分布特点，结合以往研究资料[8-9]和对多条高速公路边坡的调查，对广东省高速公路边坡病害进行区划。以工程地质环境(地貌、岩性)作为依据，可将广东省分为六个区(图1)。

图1 广东省高速公路边坡病害区划[9]

广东省地质灾害的空间分布规律受地形地貌、岩土类型、地质构造、地震、降雨以及人类活动等因素的控制：从地形地貌来看，地质灾害主要发生于坡度为40°～80°和相对高差为0～150m的斜坡地带；从岩土类型来看，广东省地质灾害多分布于岩浆岩、变质岩、碎屑岩、碳酸盐和坡残积土的地层中，特别是坡残积土地层中；从地质构造来看，地质灾害多分布在褶皱和断层破碎带通过的斜坡地带附近，且密集成群和成线状分布；从地震来看，地质灾害沿地震带呈条带状密集分布；从降雨来看，地质灾害多发生在年降水量1 400～2 000mm或时最大降雨量为50～100mm的地区，并随着日最大降雨量的逐渐增大而逐渐增多；从人类活动来看，地质灾害多发生在人类活动频繁的地区。

本文搜集和整理了省内各地区16条营运高速公路(1 494处)边坡工程病害调查的资料。由图2可知，营运公路边坡病害以坡面冲刷裸露、护面结构开裂、局部溜塌和排水设施堵塞最为普遍。其中，冲刷和溜塌病害主要发生于新通车的高速公路，如省内的江罗、潮惠、二广等新通车高速公路沿线不少边坡表层植被未生长完全，固土效果差，在频繁强降雨下经常发生局部滑塌，并且浅层冲刷冲沟密布(图3)。

图2 广东省部分高速公路边坡病害分布

图3 新通车高速公路边坡典型病害类型

护面结构开裂、排水沟开裂和堵塞则多发生于服役时间较长的公路边坡。由于早期修建的公路边坡坡率坡边较陡、安全系数偏低，加上地表或地下排水设施耐久性不足，容易发生淤堵，多年降雨作用可能导致其长期维持较高的地下水位，极易在短时强降雨入渗条件下沿不利结构面发生变形。滑塌发生前其后缘截水沟、表层圬工防护结构通常可见变形开裂发展迹象，例如深汕高速公路(西段)K101边坡和K2796边坡、深汕高速公路(东段)K2614边坡的地表和地下排水设施普遍长草淤堵，加剧了滑塌病害的隐蔽性(图4)。

图4 服役多年高速公路边坡典型病害类型

与此同时，边坡深层滑动、滑坡等严重病害情况很少发生，这与公路边坡设计采取的加固措施较强、日常检查和养护及时关系密切。

2 工程应用实例

无人机搭载的拍摄传感器可对拍摄对象进行图像采集，其主要工具包括：遥控装置、无人机、图传装置等(图5)。利用上述工具，结合人工巡查和复检，可快速准确地把握边坡当前的技术状况，同时可利用不同时期拍摄的边坡照片进行病害溯源和演化历史分析，进而推测边坡病害的成因和影响范围。

图5 边坡病害检测无人机设备

2.1 边坡定期检查

营运公路边坡可采用“人-机”结合模式完成现场检查。主要步骤：

(1)整理调查线路沿线边坡的历史资料，设计和优化无人机巡航路线；

(2)通过无人机对沿线边坡依次进行航拍和图像记录，根据各边坡几何形态规划飞行路线，保证图像采集的完整性；

(3)完成全线边坡航拍调查后，分析各边坡的病害状况，对重点边坡、病害和有疑似病害的边坡进行人工复查，核实病害规模和严重程度；

(4)根据采集和记录的边坡病害情况进行技术状况评定，给出边坡养护和处治的建议。

表1给出了统计的省内部分营运高速公路边坡按照“人-机”结合模式与传统人工检查模式所花费的现场作业时间。对比表1的数据可知，借助无人机检查边坡较传统人工巡查模式，提高工作效率最高可达50%以上。

表1 两种边坡检查模式耗时对比

2.2 滑坡专项调查

对于定期检查发现的病害边坡或即将进入加速滑动阶段的边坡，利用无人机航拍技术可对其病害发展历史进行全面跟踪，准确标注病害分布状况，评估滑塌潜在影响范围，为加固设计提供可靠依据。

2.2.1 实例1

受持续频繁降雨影响，深汕高速公路西段K2804 +201～+601左侧路堑边坡出现较大变形，二级坡护面墙发生浅层滑塌，边坡堑顶出现宽5～10cm弧形张拉裂缝，坡脚排水沟多处出现鼓胀变形现象。边坡病害现状如图6所示。

根据现场调查分析，边坡堑顶裂缝沿截水天沟向两端发展，大桩号端三级坡脚护面墙与小桩号段二级平台截水沟均发生明显的鼓胀变形(为可能的滑坡剪出口)，在持续降雨和雨水下渗作用下，三级坡有可能发生较大范围滑塌，该区域为边坡变形最为明显的区域；另外，小桩号端二级坡护面墙发生下错变形，顶部与二级平台脱空，以及二级坡中部已滑塌区域顶部仍有个别孤立的浆砌片石体，极有可能在降雨期间边坡浅层土体饱水软化后发生滑塌或滚落，这些区域为边坡潜在变形发展区域。

图6 边坡病害现状分布

图7 三级坡护面墙历史航拍图

图8 二级平台截水沟推挤变形

分析历史病害图像资料可知，本年度雨季检查期间未见坡面坡体有明显的病害迹象。推测当前坡面鼓胀开裂、平台排水沟破损等病害均为近期持续降雨后产生。根据边坡变形发展速率和破坏迹象推测，坡体病害极可能加速发展。考虑到该边坡坡率较陡，滑塌体可能越过坡脚挡墙顶部进入行车道，进而威胁公路运营的安全。因此，经详细调查和分析后，提出了封闭坡顶和平台裂缝、清理二级平台孤立片石结构、坡脚设置临时支挡结构及立即采取临时交通管制等应急措施的建议，得到管养单位的认可和实施。

图9 推测的边坡潜在滑移范围

2.2.2 实例2

受连续台风持续性暴雨的影响，G80广昆高速公路粤境河口至平台段广州方向K103+730～+830边坡发生局部滑坍，滑坡体已到达主车道路面，坡脚排水边沟变形严重，现场随即采用反压坡脚的方式进行临时防护。鉴于该边坡病害检查的实际情况，管养单位组织对该边坡开展了病害应急调查。

边坡病害总体分布情况如图10所示。现场调查发现，边坡一级坡体发生滑塌、平台截水沟沉陷错断、格梁底部土体冲刷掏空、排水边沟受挤压破坏，后缘坡体出现明显下错(最大深度超过1m)，坡体前缘挤压变形迹象十分显著。将现场调查揭示的病害位置与地质勘察资料对比后发现，滑塌区域边坡岩土体主要为厚度较大的弱风化泥质粉砂岩及强风化炭质页岩(煤系地层)，节理、裂隙发育，地层产状较紊乱，浅层土体力学性质较差。由此推测该边坡发生浅层滑动主要与降雨下渗进入坡体导致土体强度下降有关。

图10 边坡病害现状分布

根据推测的边坡潜在滑移区域(图11)，建议进行应急变形监测，在一级平台、堑顶截水沟和堑顶后方布置表面位移监测点。监测工作共开展11期。

图11 推测的边坡潜在滑塌区

图12 监测点布置

由图13可知，除个别测点在第11期因受加固施工扰动影响、位移量出现异常外，其余各测点累计位移变化量均在-0.5～3.6mm范围内，多数测点位移较上期增加值小于2mm，测点最大位移速率为0.51mm/d，累积位移量最大值为5.0mm。该监测结果表明，至加固工程实施时边坡变形基本稳定，处于缓慢发展阶段。

图13 边坡表面(坡横向)累计水平位移时程曲线

3 应用效果分析

3.1 现场检测效率

本文采用的无人机型号为大疆精灵4PRO，按现场有效检测时间8h计，考虑电池续航能力限制(每块2 000A容量的电池，一般支持连续飞行20min)和充电耗时，以及检测边坡沿线路分布疏密的情况，经大量线路检测工作统计后发现，无人机航拍在每个工作日可检测边坡30～50处。

需要强调的是，上述工作量的完成通常需要事先对检测边坡进行科学的飞行线路和航拍路径规划。对于纵向连续分布的公路边坡，要求无人机操作员按照最短飞行轨迹设置其方向、高度和拍摄角度。图14给出了典型的无人机飞行与航拍路径示意图。

图14 无人机航拍路径

3.2 病害识别能力

公路边坡高度较大、坡率较陡，许多关键支护结构病害人工检测容易出现漏判，例如锚杆格梁底部土体冲刷掏空面积、渗水和破损锚头数量及分布情况统计等均可通过无人机航拍技术方便解决。但由于边坡摄影图像通常包括人工材料、岩土体和自然植被等，总体特征较路面、隧道等更加复杂，加上边坡病害在发展初期往往十分隐蔽，通过建立病害样本库进行图像特征定义、提取、训练和识别的数学模型尚不成熟，误判和漏判比例仍较高，离工程实用还有不少问题需要解决。

无人机航拍图像主要依靠人工在室内进行病害识别，受现场航拍视角限制，拍摄图片基本呈俯视，虽然图像具有4K高分辨率，由于飞行高度较大，通过采集图像进行某些病害判别仍有一定困难。

(1)边坡早期滑塌特征多体现为后缘地表(截水沟)开裂，中后期才发展为两侧剪切裂缝和坡面鼓胀变形等。华南地区气候炎热且多雨，边坡表面植被生长异常茂盛，即使堑顶截水沟附近有裂缝发展，可能受植被影响难以发现。

(2)对于许多服役多年的边坡，防护结构老裂缝往往经过多次修补，由于灌缝材料色泽与防护材料类似，很难辨别是状态完好还是再次开裂，若边坡未设置裂缝监测装置，仍需人工去现场复核病害状况。

(3)格梁、抗滑挡墙等结构由于自身刚度较大，不易发生变形破坏。但仍有少数边坡因实际地层情况与设计出入大，实施的支挡措施强度和刚度偏弱，一旦在不利外界环境作用下下滑推力增加，原有支护结构可能发生开裂。裂缝主要是结构受弯或受剪产生，早期表现为十分细微的微裂缝，这就给无人机航拍提出了更高的要求。

(4)运营高速公路边坡检测往往不采取封路等措施，这就要求无人机飞行高度不能过低，否则可能影响正常的行车安全。多数边坡坡脚紧邻线路边沟，无人机对一级坡面或挡墙类结构的航拍视角基本呈俯视，并且由于飞行高度较大，诸如格梁底部冲刷掏空、坡面和挡墙开裂变形等病害识别难度相应增大不少。

3.3 病害记录与处理

传统的人工检测模式在现场采用记录纸、粉笔、卷尺和数码相机等记录边坡病害状况，并根据目测情况估计病害位置桩号(描述位置偏差可达数十米)。回到室内后，再对照文字描述和图像记录进行病害资料整理与汇总，最后编写检测报告。由于拍摄的边坡病害照片数量较多，很容易与文字描述匹配错误。此外，由于各照片拍摄位置和角度不同，病害尺寸描述不直观，很难将其与往期病害历史数据进行量化对比。

采用无人机-人工巡查模式后，现场只需记录每个边坡的飞行时间，回到室内按顺序可对各边坡图像资料进行快速分类和整理。由于设定的航拍路径完全统一，能较方便地在边坡总体正面图中标注各局部拍摄图像中病害对应的桩号，定位误差大大降低，并且生成报告中的边坡病害总体分布图也非常便于后期病害复查和养护。

4 结论

(1)无人机航拍检测边坡具有快速、覆盖全面等特点，对于现场检测时间紧、封路风险度高的情况，可大大降低人工巡查的劳动量、危险性，避免攀爬边坡可能遇到的危险，现场工作的安全性也可得到保障。

(2)无人机航拍技术用于边坡定检和滑坡专项调查，有利于准确确定病害的位置、规模，分析病害成因和影响后果，为边坡应急抢险工作实施、病害发展监测和处治加固工程提供科学依据。

(3)无人机现场航拍检测效率比传统人工检测提高明显。无人机检测结果更加便于分析和处理，病害描述更加直观且容易溯源，可避免人工录入文字和照片信息不符的情况。由于拍摄视角受限和边坡植被遮挡等问题，无人机对隐蔽、细微病害及边坡特定部位病害不易察觉，仍需人工进行现场复查。

虽然受限于各种条件限制，目前无人机航拍技术仍存在一定的不足之处。随着无人机及搭载传感器技术的不断进步，有望逐步克服边坡检测当前应用存在的问题，进一步提升该技术的应用水平。