無(wú)人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中的應(yīng)用

付振宇，郭宇鵬，鄭曉林

（1.延邊州公路管理處，吉林 延吉 133000；2.和龍市公路管理段，吉林 和龍 133500）

公路建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，公路里程紀(jì)錄不斷刷新，在提高交通出行便捷度、推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。公路橋梁在投入使用后，需要定期開展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)，以保障公路橋梁的使用安全性、舒適性，最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命。然而，我國(guó)公路橋梁里程很長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)檢測(cè)涵蓋范圍廣，需要配置相當(dāng)數(shù)量的養(yǎng)護(hù)工程師實(shí)施專業(yè)橋梁檢測(cè)車檢測(cè)或者遠(yuǎn)距離照相檢測(cè)，耗時(shí)、耗力，成本投入大。無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與推廣為公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)困局帶來(lái)了新的解決思路，合理應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)已成為提高公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)精準(zhǔn)性與高效性、實(shí)現(xiàn)降本增效的重要路徑。

1 無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)，即無(wú)人駕駛的飛機(jī)，誕生于20 世紀(jì)中期，前期主要用于軍用領(lǐng)域，直至20 世紀(jì)90 年代逐漸進(jìn)入民用領(lǐng)域，并在多個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航測(cè)(航拍)遙感技術(shù)以無(wú)人機(jī)為空中平臺(tái)，高度融合遙控技術(shù)、視頻影像微波傳輸、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、高空拍攝、計(jì)算機(jī)影像信息處理等技術(shù)，通過無(wú)線電遙控設(shè)備精準(zhǔn)獲取地面諸多信息，并依托計(jì)算機(jī)技術(shù)加工處理成高精度的三維圖像，它在快速獲取高分辨率影像方面的顯著優(yōu)勢(shì)使其成為地空地表信息遙測(cè)調(diào)查、工作效益監(jiān)測(cè)等方面的重要技術(shù)手段。

無(wú)人機(jī)橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、無(wú)線遙控設(shè)備、高清攝像機(jī)、圖像智能分析軟件構(gòu)成。首先，人工遙控?zé)o人機(jī)使其進(jìn)入公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)區(qū)域，然后依托無(wú)人機(jī)上配置的攝像機(jī)設(shè)備采集公路橋梁各部位信息，并傳輸至圖像智能分析軟件，經(jīng)分析處理后形成高精度的三維圖像，最后可通過公路養(yǎng)護(hù)檢修軟件精準(zhǔn)識(shí)別公路橋梁是否存在病害問題，精度高達(dá)0.01mm。同時(shí)，還通過云服務(wù)存儲(chǔ)無(wú)人機(jī)橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的病害圖像，容量高達(dá)100 萬(wàn)張，還能實(shí)現(xiàn)100M 以上的高清圖像傳輸。

2 無(wú)人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 空間分辨率高，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)，控制其在低空飛行，可以結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行垂直或傾斜成像。而且由于無(wú)人機(jī)飛行在云層高度以下，其搭載的高精度數(shù)碼成像設(shè)備可以多頻率、高精度地對(duì)地物采點(diǎn)，地面采點(diǎn)間隔可控制在5cm 以內(nèi)，分辨率高達(dá)厘米級(jí)，因此可以獲取高精度、高重疊率的影像，局部信息獲取優(yōu)勢(shì)顯著。而且還可以依托數(shù)據(jù)處理軟件分類處理地物采點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)獲得測(cè)定范圍內(nèi)的地形圖、三維場(chǎng)景影像等，全面直觀地反映公路橋梁現(xiàn)狀，極大地提升了公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)的效率。

2.2 工作效率高，連續(xù)作業(yè)能力強(qiáng)

無(wú)人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)硬件配置需求較低，僅需自帶攝影與無(wú)線傳輸設(shè)備，并提前規(guī)劃好飛行線路，即可快速完成信息采集與處理，幾分鐘內(nèi)即可獲取正射鑲嵌結(jié)果與DEM 結(jié)果。操作人員僅需在控制點(diǎn)控制無(wú)人機(jī)飛行，執(zhí)行航拍任務(wù)，可在短期內(nèi)快速獲取大比例尺地形制圖等所需的測(cè)量數(shù)據(jù)，形成高精度的航拍數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通常情況下，在低空飛行模式下，一架無(wú)人機(jī)自主航程在300 ～500km，在12 小時(shí)內(nèi)就可以獲取300km 的線狀工程航空影像，不僅工作效率高，而且可以連續(xù)作業(yè)，多次反復(fù)航測(cè)。

2.3 環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)

無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以靈活應(yīng)用于不同的測(cè)繪環(huán)境中。無(wú)人機(jī)起飛無(wú)須專用跑道，只要平地合乎規(guī)格即可，而且還能通過彈射起飛。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，可以靈活機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場(chǎng)，能夠攜帶雷達(dá)設(shè)備穿越森林植被，獲取更加精準(zhǔn)的地表信息。此外，無(wú)人機(jī)受氣候影響較小，只要風(fēng)力在7 級(jí)以內(nèi)，且雨量不影響拍攝精度，即可執(zhí)行飛行任務(wù)，突破了溫度、危險(xiǎn)因素等因素的限制，可以完成許多載人飛機(jī)無(wú)法完成的航拍任務(wù)。

2.4 操作簡(jiǎn)單且用途廣

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)，操作比較簡(jiǎn)單，人員配置要求低，僅需一名操作人員即可完成檢測(cè)工作，且準(zhǔn)備周期較短，在半小時(shí)內(nèi)即可完成無(wú)人機(jī)組裝、調(diào)試與起飛工作。由于無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地要求低，操作人員可以結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)需求隨時(shí)發(fā)出執(zhí)行航拍任務(wù)指令，執(zhí)行效率高。無(wú)人機(jī)自帶自檢功能，在執(zhí)行任務(wù)中一旦檢測(cè)到故障問題，無(wú)人機(jī)就會(huì)自動(dòng)返航至起點(diǎn)上空，等待操作人員排查故障，提高了儀器操作的穩(wěn)定性與故障的可控性，降低了無(wú)人機(jī)的操作難度。而且無(wú)人機(jī)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集期間會(huì)自動(dòng)依靠?jī)x器自帶的自動(dòng)處理系統(tǒng)處理所采集的數(shù)據(jù)，無(wú)須專業(yè)繪圖人員繪圖即可獲得常規(guī)正射影像圖及三維建模。此外，無(wú)人機(jī)還可以結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)需求搭載不同類型的傳感器，以完成測(cè)量、調(diào)查、監(jiān)測(cè)等不同的航拍任務(wù)，極大地拓寬了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范疇。

3 無(wú)人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中常用的檢查方式

不同的公路橋梁在養(yǎng)護(hù)檢測(cè)上的需求不同，在具體應(yīng)用中，可以結(jié)合實(shí)際檢查內(nèi)容與工作量需求執(zhí)行定點(diǎn)檢查、行車同步檢查等飛行輔助檢查任務(wù)。

3.1 定點(diǎn)檢查

如果公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)段落較短，或者病害分布比較集中，可以采取定點(diǎn)檢查方式，讓無(wú)人機(jī)定點(diǎn)起降，在重點(diǎn)檢查段落環(huán)繞飛行，有針對(duì)性地獲取高精度的病害圖像。首先，將檢查車停在病害嚴(yán)重位置，并做好安全防護(hù)舉措。然后，觀察路基段落情況，規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行路線。接著，組裝無(wú)人機(jī)，配置云臺(tái)相機(jī)、傳感器等公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)所需的設(shè)備，并進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。最后，操控?zé)o人機(jī)起飛，調(diào)整無(wú)人機(jī)高度與攝影設(shè)備角度，實(shí)施航拍任務(wù)，采集公路橋梁病害相關(guān)數(shù)據(jù)與圖像。

3.2 行車同步檢查

如果公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)路段較長(zhǎng)，或者所需檢測(cè)的公路橋梁路段病害分布比較分散，則更適宜采用行車同步檢查的方式，以提高公路橋梁檢測(cè)的工作效率。但這種檢測(cè)方式需要同時(shí)使用檢查車與無(wú)人機(jī)，且需保持這兩種設(shè)備的高度同頻，因此實(shí)施難度更大，對(duì)無(wú)人機(jī)操作要求較高。首先，需要鎖定病害起始位置，并在此停車，做好安全防護(hù)措施，并組裝無(wú)人機(jī)、云臺(tái)相機(jī)等設(shè)備，合理調(diào)整無(wú)人機(jī)高度與相機(jī)角度。隨后，移除安全防護(hù)措施，啟動(dòng)車輛，使其沿著應(yīng)急車道緩慢行駛，速度應(yīng)控制在20km/h以內(nèi)，并確保無(wú)人機(jī)與車輛同步啟動(dòng)、速度保持一致。然后，結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)實(shí)際調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，全方位采集病害狀況相關(guān)數(shù)據(jù)及圖像信息，結(jié)合路線外側(cè)公里樁、百米樁標(biāo)牌做好病害位置及病害狀況等記錄與分析。

4 無(wú)人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中航拍作業(yè)流程

4.1 準(zhǔn)備工作

在實(shí)施無(wú)人機(jī)航拍作業(yè)前，應(yīng)先采集航拍區(qū)域的自然情況與地理情況，分析已有的檢測(cè)成果，更加深入地掌握測(cè)區(qū)、周邊區(qū)域控制點(diǎn)及坐標(biāo)信息，并以此為依據(jù)做好無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)。只有充分掌握公路橋梁測(cè)區(qū)的地形地貌與設(shè)施情況，才能最大化地保障無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)的合理性，提高無(wú)人機(jī)飛行的安全性，同時(shí)確保公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與有效性。

4.2 布測(cè)相控點(diǎn)

在實(shí)習(xí)選點(diǎn)及埋石作業(yè)前，無(wú)人機(jī)操作人員應(yīng)結(jié)合航拍需求收集公路橋梁測(cè)區(qū)及周邊區(qū)域的地形圖、各類控制點(diǎn)、GPS 控制點(diǎn)等現(xiàn)有資料，全方位整理與無(wú)人機(jī)航拍作業(yè)密切相關(guān)的供電、通信、氣候及交通等情況。然后，結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)任務(wù)要求，先在圖紙上布測(cè)相控點(diǎn)，綜合各項(xiàng)因素確定無(wú)人機(jī)起降位置，以最大化地減少高樓、水源、凹凸不平的地形等對(duì)無(wú)人機(jī)起飛及通信造成的不利影響，提高無(wú)人機(jī)飛行的安全性。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)航拍作業(yè)

無(wú)人機(jī)在起飛抵達(dá)預(yù)定檢測(cè)地段后，操作人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行速度、高度及軌跡的觀察，結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)需求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行姿勢(shì)、飛行高度及飛行速度等，以獲取高精度、高重疊率的影像，保障航拍作業(yè)質(zhì)量。在完成航拍任務(wù)后，操作人員應(yīng)做好無(wú)人機(jī)返航及降落相關(guān)準(zhǔn)備工作，確保安全傘降回收，導(dǎo)出航拍相關(guān)圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)無(wú)人機(jī)、設(shè)備系統(tǒng)情況及圖像數(shù)據(jù)等進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。值得注意的是，如果無(wú)人機(jī)在航拍過程中出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止航拍任務(wù)，并操控其返航，在故障解除后，方可繼續(xù)執(zhí)行航拍任務(wù)，以保障無(wú)人機(jī)的航拍質(zhì)量及航拍安全。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在完成航拍任務(wù)后，需要借助計(jì)算機(jī)軟件處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，將公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像等制作成三維點(diǎn)云圖，為后續(xù)公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)決策的制定提供依據(jù)。首先，要做好航拍影像資料、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)等原始資料準(zhǔn)備工作，確保所有資料處于完成狀態(tài)，航拍影像資料達(dá)到公路橋梁養(yǎng)護(hù)傾斜度要求，POS 與航帶變化影像數(shù)據(jù)相匹配。如果POS 數(shù)據(jù)與航帶變化相片號(hào)存有誤差，要手動(dòng)修改，將控制點(diǎn)逐個(gè)刺到相片上，完成空三運(yùn)算。最后，使用點(diǎn)云加密及Pix4Dmapper 算法計(jì)算每個(gè)像元高程值，并生成三維點(diǎn)云圖。

5 無(wú)人機(jī)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中的具體應(yīng)用

5.1 工程附近綠化整治

從無(wú)人機(jī)橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)生成的三維點(diǎn)云圖，可以分析公路橋梁所處的地形地勢(shì)情況，觀察公路橋梁綠化工程情況，有針對(duì)性地開展工程附近綠化整治。通過數(shù)據(jù)分析可以了解公路橋梁道路綠化的破壞情況，全面掌握公路橋梁及附近區(qū)域地面裸露情況，是否被植被大面積覆蓋、是否存在滑坡及泥石流風(fēng)險(xiǎn)等，以聯(lián)動(dòng)林業(yè)部門做好相關(guān)的整治與處理，提高公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的有效性。

5.2 公路橋梁裂縫檢查

公路橋梁在使用過程中經(jīng)常容易出現(xiàn)各類裂縫，如果處理不當(dāng)，就可能導(dǎo)致裂縫持續(xù)惡化，從而影響公路橋梁使用的安全性。將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于公路橋梁裂縫檢查，可以全面檢查公路橋梁外觀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路橋梁裂縫病害問題，全方位地掌握裂縫位置、程度等圖像數(shù)據(jù)信息，既提升了公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)效率，更能精準(zhǔn)地為公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作的開展提供依據(jù)。無(wú)人機(jī)對(duì)橋梁底部裂縫檢查如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)橋梁裂縫檢查

5.3 對(duì)發(fā)生的滑坡及泥石流進(jìn)行檢測(cè)

公路橋梁在運(yùn)營(yíng)過程中可能會(huì)受到滑坡及泥石流等自然災(zāi)害的影響，需要及時(shí)進(jìn)行清理以保障通行的安全。通過無(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)分析，對(duì)比滑坡點(diǎn)信息，可以及時(shí)檢測(cè)公路橋梁附近所發(fā)生的滑坡及泥石流等情況，盡快聯(lián)動(dòng)相關(guān)部門采取應(yīng)對(duì)舉措，以及時(shí)清除安全隱患。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)，相關(guān)部門應(yīng)結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)需求，加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用優(yōu)化，綜合應(yīng)用多元檢測(cè)手段，以切實(shí)提升無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)效，提高公路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測(cè)效率，促進(jìn)公路橋梁工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。