無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測中的應用研究

劉彥君

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

在我國現(xiàn)代社會的發(fā)展中，基礎設施的建設已經(jīng)日趨完善，而在道路橋梁等基礎設施的建設中，為保證其質(zhì)量和安全性，我國相關部門針對其檢測，進行了大量創(chuàng)新手段的研究，其中無人機檢測系統(tǒng)以其本身具備的成本低廉、攜帶方便、結構簡單等優(yōu)勢從多種檢測方法中脫穎而出。而在實際應用該技術進行檢測的過程中，檢測人員一定要深入勘察橋梁內(nèi)部結構，探尋問題所在，以便于將無人機檢測系統(tǒng)的作用，進行充分的發(fā)揮。

1 橋梁檢測的重要性

橋梁工程建設本身是一項大型土木工程建設，其整體結構會因腐蝕效應、荷載作用、維修養(yǎng)護不及時、材料老化等因素，使其在使用期限之內(nèi)，難以避免的產(chǎn)生抗力衰退、損傷累積等問題，進而對橋梁的使用壽命造成難以挽回的影響?；诖?，對正在運行的橋梁結構進行安全情況、運行情況的檢測、識別、評估以及控制、損傷修復等是十分必要的，針對一些尤其緊急的情況一定要采用針對性的手段，這樣才能夠有效規(guī)避安全事故的產(chǎn)生。需要明確的是，橋梁檢測的基本內(nèi)容包含：（1）常規(guī)定期檢測：其中包括橋面系統(tǒng)、上下部結構的檢測；（2）水下構件檢測：其中包括水下樁基混凝土空洞、脫落、裂紋、機械損傷、露筋等的探查與錄像；（3）長期監(jiān)控點的布設以及首次觀測作業(yè)：為對橋梁主梁、墩臺等在車輛運行作用下的狀態(tài)及變位情況，進行及時有效的長期觀測，并保證橋梁安全性分析的有效性，需布置監(jiān)測點在橋梁的各關鍵位置上，當然也要及時關注到監(jiān)測點的首次觀測；（4）橋梁結構的定測檢測：在這一環(huán)節(jié)的檢測之中，會包括混凝土碳化深度、強度、保護層厚度、鋼筋位置等的檢測；（5）橋梁承載能力的檢測與鑒定：以這種形式確定橋梁承載能力是否與設計要求相契合。對于上述幾方面檢測的及時，能夠為橋梁檢修和維護提供所需指導與依據(jù)。

而與傳統(tǒng)的橋梁檢測技術不同的是，大型橋梁的安全、健康監(jiān)測，除了在測試的過程中需要具備大容量、快速的通訊能力、信息采集能力外，對于橋梁整體結構性能的智能化評估、實施監(jiān)測等也需要及時關注到。再加上橋梁檢測本身具備技術要求高、體量大等的特點，在具體的檢測工作開展中，要求危險作業(yè)、高空作業(yè)的情況較多，由此也就能夠看出，其重要性是不言而喻的，具體表現(xiàn)為以下3個方面：（1）要想為橋梁工程質(zhì)量保障體系的建設效果提供保證，就必須要定期進行橋梁檢測作業(yè)，這是由于檢測工作中所涉及的橋梁原始數(shù)據(jù)資料、檢測報告等，是工程建設資料的核心組成，無論是在工程建設的前期準備階段，抑或是在最終的竣工驗收階段中，檢測工作所提供的檢測報告、技術資料等都是整個橋梁工程建設中不容忽視的一部分；（2）要想對橋梁施工的現(xiàn)場施工質(zhì)量做出有效保證，也需要充分發(fā)揮橋梁檢測工作的關鍵作用，其中質(zhì)量控制工作的開展包含了現(xiàn)場監(jiān)理抽檢、施工方自檢等方式，在橋梁工程建設中所產(chǎn)生的問題，均能夠通過橋梁檢測的形式探尋、發(fā)現(xiàn)并解決；（3）想要為橋梁工程質(zhì)量的控制、預防等提供有效保證，也需要借助橋梁檢測作用的發(fā)揮，對于檢測方式的合理、科學、有效選取，能夠?qū)⑹┕ぴ牧系馁|(zhì)量等進行準確測定，并保證其符合規(guī)格標準與要求，即使在施工結束后，相關人員也可以以相應檢測手段的利用，來準確測定整個橋梁工程的建設，是否符合標準建設要求與規(guī)范。

2 無人機檢測系統(tǒng)的主要技術

在無人機檢測系統(tǒng)中，所涉及的主要技術是較為多樣的，在本文的研究中，筆者主要介紹以下兩種。

2.1 電磁頻譜發(fā)射源定位技術

電磁頻譜發(fā)射源定位技術可以進行單站定位以及多站定位的劃分，對于單一可搬移式布設站點形式的采用，能夠?qū)崿F(xiàn)最終定位，而對于多站聯(lián)合檢測信號TOA、AOA、FDOA以及TDOA等的采用，則能夠以幾何算法、多測量點信息交匯的形式，得到最終的定位結果。接下來，筆者將分別針對基于TDOA、AOA的測時、測相定位技術來分點闡述。

2.1.1 基于TDOA測時定向技術

在這一部分的闡述中包含兩點內(nèi)容，第一，小波變換檢測測時技術分析，將接收信號進行交互小波變換，在變換域中，依照相同坐標下最大值，進行時延確定，這種方式本身具備抗干擾能力強、測時精度高、計算復雜程度較低等優(yōu)勢，因而得到普及與應用，但是，由于在檢測過程中會應用到不同小波，這種情況會對測時性能產(chǎn)生相應影響。第二，信號相關檢測測時技術分析，以頻譜監(jiān)測接收機、頻譜分析儀等探測設備的信號接收，來進行計算并實時進行信號的獲取，以實現(xiàn)到達相對時間的目的，這種方式具備抗干擾能力強、高分辨率、精度的特點，但是，在該技術的應用中，需要及時關注其計算復雜程度較高的問題。

2.1.2 基于AOA測向定位技術

在這部分中，主要包括以下3部分內(nèi)容，分別是比輻法、比相法、方位掃描測向技術3種。首先，比輻發(fā)測向技術的應用，是將一對完全相同的同心正交天線對進行及時利用，保證從特定方向角入射的電波在兩個天線上，能夠有電勢幅度的產(chǎn)生，并且能夠和達角的正余弦呈現(xiàn)出比例關系。該技術也可以稱為Watson-watt測向機，具備抗干擾能力強、測向速度較快的優(yōu)勢，而其所具備的不足則表現(xiàn)為雙通道接收機具備制造復雜、一致性要求較高等問題；其次，比相法測向技術的應用，以干涉儀進行不同位置天線感應電壓相位差測量的形式，來進行信號到達角的計算，這種方式本身具備測向速度快、精確度高、靈敏度強的優(yōu)勢，而不足則表現(xiàn)為抗干擾能力較差。與此同時，Doppler測向機在使用時，是將天線進行及時利用，以做方位掃描之用，將多普勒效應原理的作用進行充分發(fā)揮，并以此確定到達角，而這種形式則具備極化誤差較小、測向準確度高等優(yōu)勢，不足表現(xiàn)為抗干擾能力較差；最后，方位掃描測向技術的應用，該技術的應用所指利用天線做方位掃描，并發(fā)揮其接收信號能力幅度峰值的作用，進行到達角的確定。一般情況下，較為常用的儀器設備包括交叉環(huán)天線測向機、旋轉(zhuǎn)環(huán)天線測向機等。

2.2 無人機三維建模技術

無人機有自己的高空視角，用于工程測量和三維建模等，通過無人機傾斜攝影獲取三維影像和正射影像，具有效率高、精度高的優(yōu)點，主要特點是可以較大程度地還原地面上一定體積的被攝體。目前，使用無人機三維建模主要有3種方式，點云融合、智能攝影、立體環(huán)繞。

2.2.1 點云融合

在建筑物的三維建模中，可以使用無人機拍攝建筑物頂部的照片，拍攝對角線照片，然后使用其他工具合成照片以生成3D模型。但是，由于無人機的視角是從上到下的，所以高層建筑，尤其是在人口密集的地區(qū)，很容易被其他物體擋住建筑物的底部，降低掃描成像精度。為了彌補這一缺陷，通?？梢越Y合地面的三維激光掃描來獲得建筑物的高精度整體外部圖像，這就是點云融合技術。

2.2.2 智能攝影

在實時地圖上找到目標物體的位置，手動將無人機飛過目標，點擊開始拍攝，無人機會自動開始圍繞目標物體進行拍攝，周圍的路徑和云臺角度會在地圖界面中出現(xiàn)。拍攝完成后，顯示屏會彈出提示。然后將視頻文件移動到三維建模工具中以生成立體模型，整個操作過程非常簡單、快速。

2.2.3 立體環(huán)繞

首先，打開無人機的移動端，連接多旋翼飛行器，在實際地圖上找到目標物體的位置。接下來，在目標對象的底部創(chuàng)建一個多邊形，以便該多邊形可以圍繞垂直方向目標對象投影、確定多邊形的高度以形成一個3D多邊形，并設置路線重疊率和側面重疊率。此時，可以在界面中預覽3D多邊形的路線。然后根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)并啟動任務。

3 無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測中的應用

在本文的研究中，筆者將以某地的實際無人機檢測橋梁的實例為抓手，進行無人機檢測系統(tǒng)具體應用的分析，其中會涉及無人機巡檢系統(tǒng)中的兩大主要子系統(tǒng)，分別為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

3.1 關于數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的分析

在該子系統(tǒng)中主要涉及三大模塊，首先，就是無人機的采用，主要利用大疆經(jīng)緯M300型號無人機，其續(xù)航能力較強，能夠滿足作業(yè)需求，在實際使用中為其配備氣壓計、雙慣性測量單元、智能電機驅(qū)動器等，上述配備能夠有效保證其他非檢測地段的行車安全、并為無人機的安全穩(wěn)定飛行提供保障；其次，就是相機模塊的利用，型號確定為大疆禪思H20，其分別集成了探測距離達到1200m的激光測距儀、30Hz的熱成像相機以及廣角相機（1200萬像素）等，在大角度云臺的配置上，具備垂直方向-120°到+30°、水平方向±320°之間的參數(shù)設置，能夠?qū)蛄旱牟煌瑱z測需求，進行充分滿足；最后，就是機載計算機控制軟件的采用，該技術的利用，主要是根據(jù)預先設定圖像采集對策，來進行數(shù)據(jù)采集的自動控制，以便于將操作人員的工作量進行及時減少，并提升整體作業(yè)效率。

3.2 關于數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的分析

關于數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的應用，主要有數(shù)據(jù)處理服務器、數(shù)據(jù)存儲單元兩大模塊的設置。一方面，在數(shù)據(jù)處理服務器模塊中，主要包括圖像拼接、病害自動識別和特征信息提取2點內(nèi)容，圖像拼接過程中，相關人員會將sift匹配算法進行及時利用，整體流程表現(xiàn)為在兩幅圖像的大概重合位置上，進行sift特征點檢測，并將其特征向量相似的兩點進行一個配對點對的組成，再經(jīng)過對多個配對點對的計算，就能夠?qū)⒈硎緝煞鶊D像相對關系的變換矩陣進行及時得出，而后可把兩幅圖統(tǒng)一至同一坐標系，兩幅圖像的拼接作業(yè)即可完成。經(jīng)過重復的拼接就能夠得到整個橋梁大圖，經(jīng)過分析可得出病害位置。與此同時，可利用ResNet18作為分割網(wǎng)絡特征的主干網(wǎng)絡，并將解碼網(wǎng)絡確定為PPM網(wǎng)絡，以實現(xiàn)不同圖像處理、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡特征信息提取的目的，以保證精準分割圖的生成。而針對病害自動識別的流程則表現(xiàn)為：第一，樣本庫的構建，利用標注工具進行1000以上圖像的像素級語義分割標注，并按比例進行驗證集、訓練集劃分；第二，構建深度神經(jīng)網(wǎng)絡傷損分割模型；第三，發(fā)揮驗證集的作用，進行模型識別能力的評估、探尋最優(yōu)參數(shù)，以達到橋梁病害自動檢測的目的。

另一方面，就是數(shù)據(jù)存儲單元的形成，該部分的形成主要發(fā)揮的作用就在于無人機歷次檢測圖像數(shù)據(jù)（原始）、處理結果等的存放，其一定要具備安全性高、容量大等的優(yōu)勢特點?？蛇x用工業(yè)級磁盤陣列，作為數(shù)據(jù)存儲單元來進行使用，需要注意的是，其容量要≥40TB、存放無人機數(shù)據(jù)量要在≥500km的橋梁上。在實際進行數(shù)據(jù)存儲的過程中，也需要依照橋梁的名稱、檢測時間等進行存放，這樣才能夠為后續(xù)比對工作的開展提供便利。

4 結語

綜上所述，無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測中的應用，是一種時代、行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，本文從橋梁檢測的重要性、無人機檢測系統(tǒng)的主要技術以及無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測中的應用三方面出發(fā)，著重闡明了無人機檢測系統(tǒng)在橋梁檢測工作開展中所發(fā)揮的關鍵作用，希望能夠為具體橋梁檢測工作的開展提供一定借鑒。