基于數字圖像處理技術的無人機檢測高層建筑墻面裂縫技術研究

李秉乾 吳磊磊 李創創

【摘 要】為了改變傳統的高層建筑墻面裂縫監測方法存在的費工、費時與危險等弊端，創新的將無人機攝影技術及數字圖像處理技術相結合，利用其來監察檢測高層建筑墻面裂縫。通過對拍攝的裂縫變形圖像進行圖像預處理、圖像分割、像素標定、寬度測量，完成建筑裂縫測量。實驗結果表明，基于無人機與數字圖像處理技術的裂縫監測方法，不僅具有較高的精度和可操作性，而且與傳統測量方法相比能夠顯著提高工作效率，對裂縫的監察檢測具有重要的意義。

【關鍵詞】無人機；數字圖像處理；高層建筑裂縫檢測

一、基于數字圖像處理的建筑裂縫測量的實現

基于數字圖像處理的建筑裂縫測量的實現流程圖如圖1所示。

（一）數字圖像處理技術簡介

數字圖像處理技術是一種將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機進行分析處理的技術。數字圖像處理技術主要包括幾何處理、算術處理、圖像增強、圖像復原、圖像重建、圖像編碼、圖像識別、圖像理解等幾個方面的內容。

近年來，隨著數字圖像處理、計算機視覺及數字攝影測量等技術的快速發展，高精度影像匹配和相應的數字圖像處理技術可達到子像素的精度，使數字圖像處理技術廣泛應用于精密測量、空間探測、遙感、生物醫學、人工智能以及工業檢測等許多領域，并促使這些學科產生了新的發展。

（二）數字圖像處理技術的特點及優勢

為了解決高層建筑裂縫變形監測中所面臨的困難，我們團隊提出了一種以無人機為載體的基于數字圖像處理技術的非接觸式無損測量方法。該方法使用非量測數碼相機，不需在現場布設像控點，地點完全自由，可獲得大量裂縫在變形的整體信息，與傳統的測量方法相比，該方法具有現場作業時間短、觀測信息量大、作業安全等優點。現有的資料表明，其觀測精度己達到較高的水平，是一種具有較大發展潛力的結構變形監測手段。數字圖像處理技術作為本文探討的核心技術，能夠真正意義上實現對高層建筑表面的裂縫變形進行非接觸無損測量，這是在于數字圖像處理技術具有再現性好、處理精度高、適用面寬、靈活性高等許多模擬圖像處理技術無可比擬的優點。

二、無人機簡介

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。無人機實際上是無人駕駛飛行器的統稱，與載人飛機相比，它具有體積小、造價低、使用方便、對作業環境要求低等優點。

（一）無人機機載系統

在整個無人機航空攝影測量系統構成中，無人機作為主要的系統搭載平臺，是整個系統集成與融合的重要基礎。這一硬件系統主要由無人機、數字攝影系統、導航與飛行控制系統、通信系統等部分構成。在該系統工作的過程中，整個系統會按照預先設定的航線進行相應的自主飛行，并且完成預先設定的航空攝影測量任務，同時實時地把飛機的速度、高度、飛行狀態等參數傳輸給地面控制系統。

在無人機上搭載高清數碼相機，觀測者可在建筑附近任意合適位置進行操作，先控制無人機飛到待觀測墻面處，進行圖像的采集，同時將信息傳到計算機中，同時進行統計檢測。

（二）地面飛行監控系統

這一分支系統是影響飛行平臺運行的重要因素，主要有電子計算機、飛行控制軟件、電子通信控制介質和電臺等設備。在飛行平臺的運行過程中，地面飛行控制系統可以據無人機飛行控制系統發回的飛行參數信息，實時在地圖上精確標定飛機的位置、飛行路線、軌跡、速度、高度和飛行姿態，使地面操作人員更容易掌握無人機的飛行狀況。

三、以無人機為載體的墻面裂縫檢測

（一）具體方法

利用無人機攝影技術及數字圖像處理技術，來監察檢測高層建筑墻面裂縫的具體情形。具體方法為：在應用無人機進行攝像測量時，首先要對測量的區域進行劃分和確定，同時要對無人機的起飛和降落位置進行確定，以更好的保證無人機攝像的精確度和數據的可靠性。（1）在正式進行測量前，首先要確定好待測的區域范圍，以保證無人機操作的有效性。（2）提前做好無人機的航帶規劃。由于受到無人機燃料的限制，其在空中的滯留時間有限，這一時間節點的不允許超出的，因此在實際攝影測量之前，需要根據實際需求做好對航帶的規劃，以便更好的對無人機的飛行架次進行調配和管理，同時在待測區域范圍內設定好飛行航帶。通常情況卜，一架無人機在完成攝像任務后應立即返航，這樣就可以確保飛行器的安全飛行和攝像數據的全而性。隨后對所獲得的圖片進行數字圖像技術處理，數字圖像處理主要是在計算機技術的應用下，對圖像進行處理，豐富處理內容，提高處理精度，加強對高層墻面裂縫的監察檢測。

（二）技術路線

在數字圖像處理時，我們將主要對裂縫的數個特征點進行統計分析，它們包括裂縫的平均長度、裂縫的平均開口長度、裂縫的密度、超過允許裂縫開口長度的數量等方面。將這些特征信息植入相應的算法中，用計算機進行快速分析，并且把較嚴重的區域標記出來，同時可將統計與分析結果打印出來。這樣就可以直觀地檢測出墻面裂縫的嚴重程度以及待修正的區域。這將大大降低了監測高層建筑墻面的難度和成本，同時也可作為墻面粉刷建造和裂縫防治的重要參考數據。

四、結語

在對裂縫圖像進行采集時，圖像采集環境的好壞決定了采集到圖像質量的高低，這也必然會對測量精度有影響。而通常，變形體所處的環境是非常惡劣的，尤其是高層建筑。因此如何獲得較好測量精度的圖像采集環境是十分重要的。

通過包括上述幾方面在內的后續研究，最終能夠使本文提出的新的裂縫測量方法很好地應用到實際工程中，以無人機為載體，采用常見的普通數碼相機和計算機即可較高精度地完成建筑裂縫的測量，實現方法簡單、成本廉價，能大大減少了監測人員的工作量和危險程度，具有很大的經濟效益，因此后續研究是非常有意義的。

【參考文獻】

[1].李兵，岳京憲，李和軍.無人機攝影測量技術的探索與應用研究[J].北京測繪，2008 （01）.

[2].楊瑞奇，孫健，張勇.基于無人機數字航攝系統的快速測繪[J].遙感信息，2010 （03）.

[3].鄭團結，王小平，唐劍.無人機數字攝影測量系統的設計和應用[J].計算機測量與控制，2006 （05）

[4]Lin c f，Wang S D. Fuzzy support vector machines[J].工EEE Transaction on Neural Networks， 2002，13（2）：464-471.

[5]王環，周志華，周傲英.機器學習及其應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[6]YingWena， B， YueLub C， Pengfei S .Handwritten Bangla numeral recognition system and its application to postal automation[J].Pattern Recognition，2007，C40）：99-107.