基于圖像處理下無人機(jī)拍攝裂縫輔助裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)

孫 晨，丁 勇，謝東輝，李登華

（1.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.寧波原水有限公司皎口水庫分公司，浙江 寧波 315000；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024）

0 引言

先前對于裂縫監(jiān)測大多采用人工手段與專業(yè)儀器結(jié)合的方式，通過實(shí)際工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該方式具有機(jī)動性較低、成本較大等特點(diǎn)。尤其在面對高層建筑與水庫水壩等復(fù)雜工程時，利用專業(yè)儀器與人工觀測的傳統(tǒng)監(jiān)測方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)下需求。近年來，隨著新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命——“互聯(lián)網(wǎng)+”和以 BIM 為代表的信息技術(shù)的興起，BIM 技術(shù)、無人機(jī)、3D 掃描、3S 等信息技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合施工機(jī)器人的自動化技術(shù)，智慧建造正在從理念成為現(xiàn)實(shí)［1］。因此，目前利用無人機(jī)拍攝采集裂縫照片后以圖像處理方式進(jìn)行自動化監(jiān)測的方法逐漸廣泛。

1 拍攝裂縫檢測現(xiàn)狀

1.1 人工檢查

人工檢查的方式較為靈活，但是檢測的精確程度有待商榷。雖然目前人工檢查通常配備專業(yè)儀器進(jìn)行觀測，但在面對水庫大壩、特大橋梁等復(fù)雜工程時，具有效率低、勞動強(qiáng)度大的特點(diǎn)［2］。更重要的是人工檢查的方式存在很大的危險性，如圖 1、圖 2 所示。

圖1 借助皮劃艇拍攝裂縫

圖2 人工直接觀測

1.2 無人機(jī)巡檢

由于人工檢查的方式存在精度較低、危險較大等特點(diǎn)，因此，利用無人機(jī)的飛行特性對所需檢查建筑物的裂縫進(jìn)行拍攝觀測的方式成為熱點(diǎn)，無人機(jī)巡檢方式多與計(jì)算機(jī)視覺結(jié)合，大量學(xué)者通過無人機(jī)采集裂縫照片的反饋，利用圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)算法，對裂縫進(jìn)行識別定位。Magsino等［3］設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)的裂縫快速掃描和識別算法，用于對橋梁表面裂縫的檢測。

然而，據(jù)目前市場了解，大多無人機(jī)帶有安全避障系統(tǒng)，如內(nèi)嵌超聲波傳感器等方式。避障系統(tǒng)的可調(diào)距離為 1.5～3 m（默認(rèn)為 3 m），即在距離無人機(jī)鏡頭前 3 m 若有障礙物，無人機(jī)為懸停狀態(tài)，無法前進(jìn)，超聲波傳感器避障原理如圖 3 所示。此系統(tǒng)在多數(shù)應(yīng)用場景下取得了較好的應(yīng)用效果，但是在結(jié)構(gòu)健康檢測領(lǐng)域，常常由于工程結(jié)構(gòu)的限制，為無人機(jī)的拍攝巡檢帶來諸多問題。

圖3 無人機(jī)超聲波傳感器避障原理

由于圖像記錄的內(nèi)容大多具有不可重復(fù)性，一旦圖像質(zhì)量有了問題，不僅降低觀察效果，更關(guān)鍵的是影響信息的獲得與提取。采集圖像與圖像處理相比，重要性絲毫不遜色，有時甚至要求更嚴(yán)格［4］。一方面，在拍攝以裂縫為主要背景的情況下，1.5～3 m 的安全距離無法實(shí)現(xiàn)對裂縫的準(zhǔn)確拍攝，導(dǎo)致照片精度不高，如圖 4、圖 5 所示，不利于后續(xù)分析圖像信息工作的開展，可能會出現(xiàn)裂縫特征提取不完全、提取不準(zhǔn)確等問題；另一方面，在不同時刻拍攝的過程中，無法保證每次鏡頭與裂縫的間距相同，為計(jì)算機(jī)圖像處理帶來不便。即使無人機(jī)飛行過程中關(guān)閉避障系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了近距離貼近建筑結(jié)構(gòu)立面上的裂縫并進(jìn)行拍照，但在很大程度上會因操作失誤而導(dǎo)致墜機(jī)意外。

圖4 采集照片清晰度較低

圖5 采集照片清晰度較低示意

綜上所述，采用無人機(jī)與計(jì)算機(jī)視覺結(jié)合監(jiān)測裂縫的研究路徑是具有新穎性與前瞻性的，但是考慮到后期圖像處理涉及的圖像質(zhì)量問題，有必要、也亟需研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)近距離、高質(zhì)量采集裂縫照片的裝置與方法，以解決上述工程難題。

2 拍攝裂縫輔助裝置的設(shè)計(jì)分析

鑒于目前無人機(jī)拍攝裂縫的方式存在一定缺陷，為有效解決該技術(shù)問題，經(jīng)實(shí)地調(diào)研和深入研究相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)近距離拍攝裂縫的裝置。該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，使用便捷，在保證過程安全可靠的同時，有效提高了采集照片的效率和清晰度。

山東省先后印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)海水利用工作的意見》《關(guān)于加強(qiáng)污水處理回用工作的意見》等，加大污水處理回用、海水淡化等非常規(guī)水源的開發(fā)利用，納入?yún)^(qū)域水資源統(tǒng)一調(diào)度配置。在水資源論證與取水許可審批工作中，對污水處理再生水等非常規(guī)水的水量和水質(zhì)能夠滿足建設(shè)項(xiàng)目用水需求的，優(yōu)先配置使用非常規(guī)水，嚴(yán)格控制取用新水特別是地下水。

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

基于對復(fù)雜工程中所出現(xiàn)的裂縫近距離拍攝且保證間距相同，本設(shè)計(jì)采用無人機(jī)加裝輔助裝置的方式，可以實(shí)現(xiàn)在關(guān)閉無人機(jī)避障系統(tǒng)下，通過裝置的保護(hù)與壓頂作用，將無人機(jī)最大近距離地緊貼墻壁裂縫，實(shí)現(xiàn)近距離拍攝的問題；同時，通過裝置上支架本身距離的恒定，起到距離標(biāo)尺作用，保證間距相同，相較于軟件測距方式，該方法實(shí)現(xiàn)成本較低。

此外，在無人機(jī)本體上該裝置可以有效承受小型碰撞的沖擊以提升室內(nèi)飛行的容錯性，保護(hù)無人機(jī)飛行期間的旋翼安全而不至于發(fā)生墜機(jī)事故。

2.2 結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

本裝置由兩個主要部分構(gòu)成，即四旋翼無人機(jī)、支撐框架。其中，支撐框架由三個方向（豎向、橫向、頂端）的輕質(zhì)桿件構(gòu)成。裝置整體結(jié)構(gòu)正、側(cè)視圖如圖 6所示。

圖6 裝置總體結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 四旋翼無人機(jī)

對于四旋翼無人機(jī)本體而言，首要考慮的是飛行時無人機(jī)的載重問題。本裝置采用的無人機(jī)載重（不含自重）約為 4 kg。主要是基于：支撐框架結(jié)構(gòu)重量為 1.4 kg，數(shù)量一對，以此保證無人機(jī)的各方向受力平衡，共計(jì) 2.8 kg。因此，本裝置的搭載總重量約為 2.8 kg，＜4 kg，能夠滿足無人機(jī)的載重要求，不會對其升力產(chǎn)生影響，可以保證無人機(jī)的正常穩(wěn)定飛行［5］。

2.2.2 支撐框架

橫向、豎向輕質(zhì)桿件（4～6 號）相互焊接構(gòu)成一對支撐框架。其中，桿件采用具有輕量化、強(qiáng)度大等特點(diǎn)的材料，使支撐框架具有足夠穩(wěn)定性與柔韌性，避免與建筑結(jié)構(gòu)立面發(fā)生碰撞后損壞。無人機(jī)在關(guān)閉 1.5～3 m 內(nèi)的安全避障系統(tǒng)后，依靠下方橫向輕質(zhì)桿件（5）、豎向輕質(zhì)桿件（4）與上方橫向輕質(zhì)桿件（6）構(gòu)成的支撐框架，讓無人機(jī)機(jī)身在支撐框架的保護(hù)下，將無人機(jī)緊壓在墻壁上，減小了原先墻壁與無人機(jī)的間隔。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，為了保證無人機(jī)旋翼安全，設(shè)計(jì)時已經(jīng)注意了下方橫向桿件的延伸距離，即安全距離。在加裝此桿件后，不會影響旋翼的轉(zhuǎn)動。

2.3 裝置操作方法

為方便工程技術(shù)人員更清晰地了解該技術(shù)并實(shí)施應(yīng)用，本文總結(jié)了該無人機(jī)拍攝裂縫裝置的操作方法，步驟如下。其中，模擬示意如圖 7 所示。

圖7 裝置使用模擬示意

2.3.1 前期準(zhǔn)備

1）裝置檢查。檢查裝置的運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)裝置是否運(yùn)行正常；

2）安裝裝置。確認(rèn)無誤后，將一對輔助裝置分別卡扣在四個無人機(jī)旋翼支點(diǎn)，以用來前后保持整體平衡。

2.3.2 拍攝過程

1）裂縫定位。啟動無人機(jī)，通過無人機(jī)的飛行，找到建筑物墻體上存在裂縫的區(qū)域，確認(rèn)裂縫區(qū)域所在位置。

2）圖像采集。關(guān)閉無人機(jī)自身的安全避障系統(tǒng)后，加以觀察，然后緩慢飛行，在飛行過程中需要注意的是，由于無人機(jī)飛行的特性，機(jī)身會有微小角度的前傾。通過豎向輕質(zhì)桿件與上方橫向輕質(zhì)桿件逐步貼近裂縫所在結(jié)構(gòu)立面，同時無人機(jī)鏡頭垂直于裂縫墻面對準(zhǔn)裂縫所在區(qū)域，使得相機(jī)畫面盡可能覆蓋墻面上的裂縫信息。待機(jī)身穩(wěn)定后，按下無人機(jī)自帶拍照鍵，獲取裂縫圖片。

3）當(dāng)一個裂縫照片采集完畢后，將四懸翼無人機(jī)直線下降，遠(yuǎn)離建筑結(jié)構(gòu)立面，再小心水平飛行至下一個裂縫附近位置，然后，參照上述步驟完成其余所有裂縫的采集即可。

2.3.3 圖片分析

對采集的照片進(jìn)行整理排布，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件，如利用 Python 編程依次分析圖片中裂縫寬度方向上的像素個數(shù)與長度方向上的像素個數(shù)，根據(jù)像素尺寸進(jìn)而推斷出裂縫的寬度與長度。

3 結(jié)論

針對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)立面，現(xiàn)有無人機(jī)拍攝裂縫的方式不能滿足后期精確的圖像分析要求而存在準(zhǔn)確性和效率較低等工程難題，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了基于圖像處理下的無人機(jī)拍攝裂縫的裝置，能夠克服現(xiàn)有方法的不足，具有以下優(yōu)勢：

1）該裝置巧妙采用由輕質(zhì)桿件組成的框架結(jié)構(gòu)方式，減小了無人機(jī)鏡頭與立面上裂縫之間的距離，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的近距離拍攝，大大增加所拍攝圖片的清晰度；

2）該裝置的支架中橫向輕質(zhì)桿件充當(dāng)標(biāo)尺作用，可以保證不同時刻拍攝時，鏡頭與對象間距相同，可以確定圖片中像素的尺寸大小，進(jìn)而推算出裂縫的寬度與長度；

3）該裝置相較于軟件測距方式，該方法實(shí)現(xiàn)成本較低、實(shí)現(xiàn)便捷，只需要將輔助裝置卡扣在無人機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)。Q