無人機(jī)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用研究

焦 勝

（廣東和立土木工程有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

當(dāng)前，我國的公路交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本建設(shè)完成，公路橋梁是整個(gè)公路工程的重要樞紐，在投入使用之后，公路橋梁本身的結(jié)構(gòu)存在一定受損風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而帶來一定安全隱患，為了保證使用安全，對(duì)公路橋梁進(jìn)行定期檢測能夠幫助工作人員充分了解其使用狀況，進(jìn)而保障使用者的人身安全。無人機(jī)技術(shù)具有起降便捷、信息獲取快速等諸多優(yōu)勢，將其應(yīng)用在公路橋梁檢測領(lǐng)域能夠提升檢測質(zhì)量與效率。

1 公路橋梁檢測重要性與作業(yè)類型

公路橋梁檢測的重要性主要包括：（1）能夠協(xié)助工作人員發(fā)現(xiàn)并解決公路橋梁在設(shè)計(jì)、施工階段可能存在的安全隱患，提升公路橋梁的使用價(jià)值，例如，在設(shè)計(jì)與施工階段，一旦存在一些操作不規(guī)范的問題且沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，那么就很容易對(duì)公路橋梁本身的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，良好的橋梁檢測能夠幫助相關(guān)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路橋梁本身潛藏的安全隱患；（2）能夠?yàn)楣窐蛄旱暮笃谶\(yùn)營維護(hù)工作提供科學(xué)指引。公路橋梁檢測能夠獲取到公路橋梁本身的諸多詳細(xì)信息，為技術(shù)人員提供更加詳細(xì)的技術(shù)資料，為公路橋梁的后期維護(hù)提供必要的技術(shù)支持。

根據(jù)需求不同，公路橋梁的檢測作業(yè)內(nèi)容存在一定差異。從整體上講，橋梁檢測作業(yè)主要分為日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、專項(xiàng)檢查四個(gè)基本種類，不同檢測作業(yè)的內(nèi)容存在一定差異[1]。

2 無人機(jī)技術(shù)及其在公路橋梁檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢

在公路橋梁檢測領(lǐng)域，無人機(jī)技術(shù)在其中主要能夠通過與BIM技術(shù)結(jié)合、無人機(jī)導(dǎo)航以及視覺定位、無人機(jī)高清攝影技術(shù)、計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別等方式完成檢測工作，相比于傳統(tǒng)的人工檢測，無人機(jī)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用主要存在以下幾方面優(yōu)勢：（1）提升檢測效率。在傳統(tǒng)技術(shù)背景下，在對(duì)懸索橋等特殊橋梁的橋梁底板、斜拉鋼索等位置進(jìn)行檢測的難度相對(duì)較大，同時(shí)，傳統(tǒng)手段也很難形成常態(tài)化、高頻度的監(jiān)測機(jī)制，對(duì)于輕微、累積性顯著的損傷很容易存在偵測不及時(shí)的問題，最后，人工檢測嚴(yán)重依賴人員個(gè)體素質(zhì)。與人工相比，無人機(jī)監(jiān)測在上述幾個(gè)方面具有比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢，能夠顯著提升檢測效率；（2）提高安全系數(shù)。在對(duì)特殊位置進(jìn)行檢測時(shí)，采用傳統(tǒng)人工方式往往需要技術(shù)人員冒著一定風(fēng)險(xiǎn)，而無人機(jī)技術(shù)則只需要進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控即可，其安全系數(shù)相對(duì)較高；（3）降低檢測成本。相比于傳統(tǒng)人工檢測而言，無人機(jī)監(jiān)測不需要消耗較多的人力成本，同時(shí)，也不需要像傳統(tǒng)人工檢測一樣對(duì)橋梁交通進(jìn)行控制，整體檢測成本相對(duì)低；（4）提升數(shù)據(jù)分析效率。在傳統(tǒng)技術(shù)背景下，對(duì)橋梁信息的記錄主要以文字記錄為主，其分析效率相對(duì)較差，無人機(jī)技術(shù)能夠通過中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，信息也能夠保存在硬盤中，其分析技術(shù)難度相對(duì)較小，有利于養(yǎng)護(hù)工作總體統(tǒng)籌[2]。圖1為無人機(jī)在橋梁檢測領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

圖1 無人機(jī)在橋梁檢測領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

3 無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用策略

3.1 外觀檢測

外觀檢測是無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于公路橋梁檢測的首要方法，在實(shí)踐中，技術(shù)人員需要根據(jù)橋梁特點(diǎn)，控制無人機(jī)在橋梁關(guān)鍵部位飛行，并獲取動(dòng)態(tài)視頻流、靜態(tài)照片兩種形式的信息內(nèi)容，在實(shí)際操作過程中，為了保證后期計(jì)算機(jī)處理的便捷性，對(duì)于無人機(jī)云臺(tái)相機(jī)的信噪比、靈敏度、像素、傳感器動(dòng)態(tài)范圍等內(nèi)容均存在一定要求，例如，在傾斜攝影建模過程中，相關(guān)技術(shù)人員可以采用大疆的X5S定焦鏡頭，在對(duì)裂縫、支座等細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝時(shí)，技術(shù)人員可以采用大疆X7變焦鏡頭。

其次，在橋梁的不同位置，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)選擇不同的拍攝方式，以某鋼箱梁斜拉橋?yàn)槔?，可以選擇以下幾個(gè)拍攝方式：（1）橋梁上方。選擇始終面向橋體的方式，每個(gè)航點(diǎn)以45°傾斜的方式拍攝1張照片，環(huán)繞半徑20m、50m，環(huán)繞高度為15m、45m、85m；（2）橋梁兩側(cè)，選擇始終面向橋體的方式，每個(gè)航點(diǎn)以-30°、0°、30°拍攝3張照片，航線層距垂直間距為5～10m，航線層距水平間距為5～10m；（3）道路上空。選擇始終面向橋體的方式，每個(gè)航點(diǎn)以90°、60°、30°方式拍攝3張照片，高度保持10m，同時(shí)，航點(diǎn)間距控制為3m；（4）斜桿四周。選擇始終面向斜桿的方式，每個(gè)航點(diǎn)以水平的方式拍攝1張照片，航點(diǎn)間距控制為5m。

最后，無人機(jī)技術(shù)能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)橋梁上存在的病害情況進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并在模型上對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)，同時(shí)，如果結(jié)果存在一定疑問，那么計(jì)算機(jī)能夠直接將相關(guān)信息發(fā)送到有關(guān)專家處，由人工對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的深入識(shí)別[3]。

3.2 橋梁建模

在無人機(jī)飛行任務(wù)結(jié)束之后，會(huì)將所有收集到的視頻數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括對(duì)應(yīng)傳感器尺寸、重建精度、文件大小限制等，隨后，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行多視角三維重建，并將所有圖片、模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上對(duì)橋梁基本情況進(jìn)行分析。無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模通常能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度，一般能夠達(dá)到厘米級(jí)，同時(shí)，在后期階段，還可以根據(jù)自身需求進(jìn)行單體化處理特例分析。但是，與此同時(shí)，在建模過程中同樣容易出現(xiàn)放大局部變形、細(xì)節(jié)美觀性差等缺陷，因此，在實(shí)際工作中，往往需要對(duì)橋梁下部進(jìn)行地面補(bǔ)拍，同時(shí)，通常還需要利用探照光燈光源對(duì)環(huán)境光線進(jìn)行補(bǔ)充。最后，為了提升質(zhì)量，通常還需要采取空三計(jì)算、一體化自動(dòng)建模、輔助軟件手工修模等方式提升模型整體準(zhǔn)確度。

BIM建模技術(shù)在實(shí)踐中具有標(biāo)準(zhǔn)、快捷等重要優(yōu)勢，在建筑行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)廣泛的水平，相比于點(diǎn)云建模，數(shù)字建模的清晰度、細(xì)節(jié)性均相對(duì)較強(qiáng)，在實(shí)踐中，可以將傾斜攝影建模技術(shù)、BIM技術(shù)充分結(jié)合，在BIM模型上粘貼實(shí)景地理數(shù)據(jù)，以滿足橋梁檢測需求。

3.3 檢測結(jié)果處理與分析

在建模完成之后，相關(guān)技術(shù)人員可以對(duì)照地圖數(shù)據(jù)、實(shí)地測量數(shù)據(jù)、模型測量數(shù)據(jù)，對(duì)無人機(jī)橋梁進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，整體精度能夠達(dá)到厘米級(jí)，針對(duì)表面裂縫的檢測節(jié)能能夠達(dá)到毫米級(jí)。相比于傳統(tǒng)人工檢測而言，此種方式在精準(zhǔn)度方面明顯提高，在橋梁檢測領(lǐng)域具有相當(dāng)強(qiáng)的可行性。

筆者采用無人機(jī)技術(shù)對(duì)某橋梁進(jìn)行實(shí)際測量，不同部位的具體誤差如下所示：（1）在右側(cè)樓梯寬度位置，實(shí)際距離為212cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為220cm，兩者之間的誤差為8cm；（2）在左側(cè)樓梯寬度位置，實(shí)際距離為230cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為230cm，兩者之間的誤差為0cm；（3）在右側(cè)樓梯圍欄高度位置，實(shí)際距離為112cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為106cm，兩者之間的誤差為6cm；（4）在左側(cè)樓梯圍欄高度位置，實(shí)際距離為106cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為98cm，兩者之間的誤差為8cm；（5）在非機(jī)動(dòng)車車道寬度位置，實(shí)際距離為290cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為295cm，兩者之間的誤差為5cm；（6）在圍欄外側(cè)平臺(tái)寬度位置，實(shí)際距離為370cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為366cm，兩者之間的誤差為4cm；（7）在路燈桿與圍欄間距位置，實(shí)際距離為1755cm，基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)造的模型距離為1750cm，兩者之間的誤差為5cm。

上述測量的平均誤差數(shù)值為5.14cm，基本能夠滿足橋梁檢測工作對(duì)于精確度的需求。

3.4 無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測中應(yīng)用質(zhì)量提升策略

無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用確實(shí)能夠提升檢測質(zhì)量，但與此同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中仍舊存在一些較為重要的注意事項(xiàng)，本節(jié)對(duì)無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行簡要分析：（1）無人機(jī)很容易受到環(huán)境因素的影響，如風(fēng)速、氣候等，因此在測試時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量選擇較好的氣候條件；（2）無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用效果也很容易受到硬件及軟件條件的影響，因此，在測試之前，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際需求選擇能夠滿足要求的無人機(jī)平臺(tái)及軟件設(shè)備。（3）無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用對(duì)于操縱人員的技術(shù)要求相對(duì)較高，不僅需要具有無人機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)，還應(yīng)當(dāng)具備橋梁病害的基礎(chǔ)識(shí)別能力，因此，相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)對(duì)相關(guān)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)，在培訓(xùn)合格之后才能讓技術(shù)人員實(shí)際操控?zé)o人機(jī)以及地面站控制軟件。（4）在當(dāng)前的無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用過程中，主要是利用無人機(jī)的優(yōu)勢對(duì)橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，雖然部分無人機(jī)也能進(jìn)行部分具體的識(shí)別工作，但是限于其本身能力，自動(dòng)病害識(shí)別技術(shù)仍舊沒有達(dá)到比較成熟的水平，很難實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析，因此，相關(guān)單位必須設(shè)定人工審核部門，對(duì)關(guān)鍵病害進(jìn)行人工審核，以保證橋梁檢測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

縱觀全文，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測方面的應(yīng)用已經(jīng)具備了較強(qiáng)的可行性，能夠精準(zhǔn)識(shí)別病害并將相關(guān)信息進(jìn)行反饋。本文對(duì)無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢以及應(yīng)用策略進(jìn)行了簡要分析，最終發(fā)現(xiàn)，基于建筑信息化的無人機(jī)檢測系統(tǒng)確實(shí)能夠顯著降低傳統(tǒng)橋梁檢測需要消耗的人工成本、時(shí)間成本、資源成本。但是，無人機(jī)檢測系統(tǒng)仍舊存在一些缺陷阻礙了其價(jià)值的充分發(fā)揮，如無法進(jìn)行病害的動(dòng)態(tài)識(shí)別等，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員可以從這些角度著手，不斷優(yōu)化無人機(jī)技術(shù)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用質(zhì)量。