基于無人機的防波堤巡檢

胡健波，張飛

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環(huán)境保護技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

基于無人機的防波堤巡檢

胡健波，張飛

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環(huán)境保護技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

在無人機大發(fā)展背景下，選擇MD4-1000四旋翼電動無人機，以天津東疆人造沙灘北防波堤（近岸300 m斜坡式防波堤和離岸1.8 km半圓體防波堤）作為試驗對象，開展基于無人機的防波堤巡檢嘗試。無人機沿防波堤中心線飛行并不間斷垂直向下拍攝，獲取大量的覆蓋完全并具有一定重疊度的數碼照片，繼而利用攝影測量后處理軟件Pix4Dmaper獲取了斜坡式防波堤的二維正射影像和三維數字表面模型數據，并且在照片集中識別并測量了半圓體防波堤的變形和破損形狀?；跓o人機的防波堤巡檢方法是一種“室外航拍，室內檢測”的新巡檢工作模式，不僅效率高，而且成果展現(xiàn)形式更加生動具體。

無人機；防波堤；攝影測量；航拍

防波堤在海港各類水工建筑物中有其特殊的地位，具有防波阻沙的功能，改善港區(qū)的水文泥沙條件。由于基礎沉降、長期波浪力、以及地震、船舶碰撞等外力因素，防波堤會發(fā)生變形和破損，不斷積累則會導致?lián)p毀事故的發(fā)生。防波堤定期巡檢，及時發(fā)現(xiàn)變形和破損現(xiàn)象并采取應對措施，可避免問題擴大化［1］。目前的防波堤巡檢方式效率較低且結果粗放，主要體現(xiàn)在2個方面：一是交通不便，檢測人員或在防波堤上步行或乘船，步行則難檢測側面而乘船則又難檢測堤頂，魚和熊掌無法兼得；二是檢測方式比較粗放，以人的目測、攝影或鋼尺量測為主，檢測結果以列表的方式列舉各個位置存在的問題，無法展示防波堤的整體面貌，多次檢測結果間可比性較差。

21世紀初，無人機逐步從軍事中走出，進入民用領域，成為一種十分輕便、靈活的低空平臺［2］。無人機具有靈活、經濟、安全、易操作等優(yōu)勢，在很多民用領域都有著旺盛的需求，已經廣泛應用于國土測繪［3-4］、防災減災［5-6］、農林［7-8］及環(huán)保［9-10］等領域。在交通領域，也有不少國內外學者嘗試將無人機用于交通基礎設施質量調查［11-12］和交通流監(jiān)測［13］；另外，我國“十二五”海事發(fā)展目標和思路中，明確提出發(fā)展無人機海事巡航技術，用于水上救助、海洋防災減災，提升應急指揮能力和效率［14-16］。

在無人機發(fā)展大背景下，本文嘗試將無人機應用于防波堤巡檢，形成“室外航拍，室內檢測”的新巡檢工作模式，提高工作效率以及成果展示效果。

1 方法

選擇天津東疆人造沙灘北防波堤作為試驗對象（圖1），使用MD4-1000型電動四旋翼無人機,沿防波堤中心線飛行并不間斷垂直向下拍攝，獲取大量的覆蓋完全并具有一定重疊度的數碼照片，在計算機上開展防波堤外形檢查。該段防波堤根據結構可以分為2個部分,近岸與沙灘伴行的部分是較寬的斜坡式防波堤,上可通車,長約300 m,水上部分寬約15 m；離岸入海部分是較窄的半圓體防波堤,不可通車,長約1.8 km,水上部分寬約6 m。在近岸部分交通便捷，主要利用無人機進行航空攝影測量，獲取高清正射圖和三維表面模型，實現(xiàn)三維仿真，豐富成果的展現(xiàn)形式；離岸部分交通不便，主要利用無人機進行航拍，獲取具有地理信息的照片，用于后續(xù)的室內目視檢查，提高作業(yè)效率。

防波堤總長約2.1 km，MD4-1 000型電動無人機的最省電水平飛行速度為5 m/s，包括起降的全程飛行時間約15 min，一個飛行架次即可完成任務，加上飛行前后的準備和收尾時間不超過30 min。無人機搭載17mm鏡頭焦距、17.3×13 mm傳感器的Olympus E?P2微單數碼相機，獲取4 032×3 024像素尺寸的數碼照片,無人機垂直向下拍攝時間間隔為3 s，相鄰照片間隔距離約15 m。飛行任務（航線和拍攝動作）在地面站軟件中設置并導入飛行器，除了起飛和降落部分，整個過程由飛行器自主完成。無人機的飛行控制系統(tǒng)在控制相機拍攝的同時記錄GPS定位信息，飛行任務完成后隨同數碼照片一并導入計算機，為航空攝影測量后處理或室內檢查（變形和損壞區(qū)域）提供定位信息。

近岸300 m的無人機飛行高度約60 m，獲取的照片的地面分辨率約15 mm,無人機垂直向下拍攝時間間隔為3 s，相鄰照片間隔距離約15 m，照片覆蓋地面的長方形區(qū)域寬度約45 m，相鄰照片間重疊度約67%。獲取的單航帶照片利用Pix4Dmapper無人機后處理軟件處理，生成帶有地理信息的2D正射影像、2D數字表面模型、以及3D點云數據，也可以直接在軟件中進行測量操作。

離岸的1.8 km的無人機飛行高度約30 m，獲取的照片的地面分辨率約7.5 mm,無人機垂直向下拍攝時間間隔為4 s，相鄰照片間隔距離約20 m，照片覆蓋地面的長方形區(qū)域寬度約23 m，相鄰照片間重疊度約13%。室內檢查方法比較簡單，先通過肉眼識別存在防波堤外形變形或者損壞現(xiàn)象的照片，然后利用任意一款具有量測功能的圖像處理軟件（例如PhotoShop等）完成裂縫長度和寬度、結構破損面積、結構件錯位距離等的測量（像素數量×像素分辨率）。該方法簡單易行，是在假設防波堤的海拔高度處處相等、相機鏡頭畸變不嚴重的基礎之上，能夠滿足防波堤巡檢的需要（對測量精度要求不高）。

圖1MD4-1000型四旋翼無人機及天津東疆人造沙灘北防波堤Fig.1MD4-1000 quadrocopter UAV and the northern breakwater of Dongjiang Bay artificial beach in Tianjin

2 結果

利用無人機攝影測量技術，獲得了斜坡式防波堤的全覆蓋的二維和三維數據（圖2），真實而又準確地展現(xiàn)了該段防波堤的實際情況（除了缺少特征點的水域）。正射圖分辨率達到了約20 mm，各種地物清晰可見，如防波堤的排水孔、碎石、扭王字塊、柵欄板等。數字表面模型和3D點云側視效果，清晰地展現(xiàn)了半圓體防波堤的圓弧表面、整齊鏤空的南側柵欄板的階梯形狀、堤上停留的車輛、以及堤頂部遺留的渣土層及其上的車痕三維特征，這些都歸功于Pix4Dmapper強大的三維重建能力；遺憾的是僅從數字表面模型上無法區(qū)分南側的扭王字塊護坡和北側的碎石護坡，可能是三維重建過程中的對重建失敗區(qū)域的插值算法抹平了扭王字塊和碎石在形狀上的差異。

圖2斜坡式防波堤無人機攝影測量結果Fig.2Photogrammetry results of the sloping breakwater by UAV

當然，由于無人機上的GPS定位誤差、飛行姿態(tài)角誤差以及非專業(yè)量測相機的鏡頭畸變問題，以上的二維和三維數據的絕對定位精度還無法滿足1：2 000的測繪成圖要求。該無人機的攝影測量結果僅限于對現(xiàn)場的三維仿真展示以及粗略的測量，更進一步的精度需要地面控制點以及相機檢校等工作同步進行。

利用無人機航拍技術，獲得了完全覆蓋半圓體防波堤的照片集（圖3）。防波堤是弧形形狀，而無人機的飛行路線是由多個節(jié)點組成的一條折線，因此無人機并非時刻處于防波堤中心線的正上方，拍攝的照片中防波堤也并非處于正中間。從照片集中可以看出，本次的無人機航拍充分考慮了這一部分的偏移以及側風的影響，沒有出現(xiàn)漏拍的情況。

本次檢查到多處變形和破損位置，但都十分輕微，不影響其防護功能的發(fā)揮。圖3中展示了3處代表案例，分別是迎波面破損、上部剝落銹蝕以及塊體錯位，同時還測量了破損和剝落銹蝕的面積以及錯位的縫隙寬度?？罩懈╊恼掌蜗缶唧w地展示了變形和破損的形狀以及所在塊體的部位，這是檢測人員在1～2 m高處拍攝或乘船側拍無法實現(xiàn)的。

圖3半圓體防波堤航拍結果Fig.3Aerial photography results of the semicircular breakwater

3 討論

基于無人機的防波堤巡檢解決了交通不便的問題，效率要比步行和乘船高得多，“室外航拍，室內檢測”的巡檢模式更是極大地減少了外業(yè)工作時間。對于斜坡式和半圓體防波或者其他非直立式的防波堤，無人機沿中心線飛行一次垂直向下拍攝即可完成全覆蓋巡檢；對于直立式防波堤，可以通過一次往返飛行（沿平行于中心線的防波堤外側飛行）傾斜拍攝即可完成堤頂和側面的全覆蓋巡檢，效率上不存在因防波堤類型而異的問題。本文中半圓體防波堤的拍攝間隔較長，重疊度不夠，無法得到類似斜坡式防波堤的二維和三維攝影測量數據；這主要是為了追求10 mm以內的成像分辨率，相機的持續(xù)連拍速度無法保證50%以上的重疊率，可以通過提升相機性能、降低分辨率、提高飛行高度、采用更加廣角的鏡頭等方式解決。

除了地震、撞擊等突發(fā)事件，防波堤的變形和損壞是一個隨著時間逐漸發(fā)生的動態(tài)過程?；跓o人機的防波堤巡檢成果具有全覆蓋的特點，在多次無人機巡檢結果的前后比較中，可以發(fā)現(xiàn)變形和破損等新問題的產生以及舊問題的發(fā)展擴大，把握防波堤的動態(tài)變化過程，為防波堤變形和破損規(guī)律研究提供傳統(tǒng)方法所無法提供的豐富的定量數據。

本次研究采用的無人機只是用于進行這一次嘗試性研究，并不一定是最適宜的無人機?？紤]到海邊風速較高，以及更長的防波堤需要更長的續(xù)航時間，還需要在無人機的選型甚至研發(fā)上進一步深入的研究和論證，才能實現(xiàn)業(yè)務化運行的目的。

4 結論

基于無人機的防波堤巡檢方法是一種“室外航拍，室內檢測”的新巡檢工作模式，不僅效率高，而且成果展現(xiàn)形式更加生動具體，具有替代傳統(tǒng)防波堤巡檢（僅限外觀檢測）的潛力。

［1］JTS310-2013,港口設施維護技術規(guī)范［S］.

［2］孫仕祺,馬杰.歷史與現(xiàn)實：無人機發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及其所面臨的挑戰(zhàn)［J］.飛航導彈,2005（1）:14-19,39.

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On?site inspection of breakwater using UAV

HU Jian?bo,ZHANG Fei
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Under the background of booming UAV(unmanned aerial vehicle),we tried to apply UAV to on?site inspection of breakwater.The UAV we used is MD4?1000 quadrocopter UAV,while the test case breakwater is the northern breakwater of Dongjiang Bay artificial beach in Tianjin,comprised of a 300 m′s nearshore sloping breakwa?ter and 1.8 km′s offshore semicircular breakwater.The UAV flew along the centerline of the breakwater and continu?ously shoot vertically downwards,acquiring plenty of overlapped digital images covering the whole breakwater. Based on the photo gallery,2D orthophoto and 3D digital surface model of the sloping breakwater were produced with the aid of photogrammetry software Pix4Dmapper,while deformation and breakage of the semicircular breakwa?ter was identified and measured.UAV based on?site inspection of breakwater is a new operating mode(outdoor fly?ing and indoor inspection),proven to be more efficient and producing vivid and specific results.

UAV;breakwater;photogrammetry;aerial photography

V279；U656.3

A

1005-8443（2015）04-0355-04

2015-01-05；

2015-03-26

國家國際科技合作專項項目（2013DFA81540）

胡健波（1982-），男，浙江省寧海人，高級工程師，主要從事衛(wèi)星和無人機遙感應用研究。

Biography：HU Jian?bo（1982-）,male,senior engineer.