基于圖像處理技術(shù)的無人機(jī)在橋梁檢測的應(yīng)用★

史有玉,鄧 凌,楊紫艷,馬龍博

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150036)

1 概述

1.1 研究背景

為了延長橋梁壽命，提高橋梁安全性，對橋梁檢測方法和技術(shù)的研究必不可少。橋面的裂縫、拱起、坑洞、剝落及梁體裂縫等是橋梁檢測的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的檢測方法基于人工視覺檢測，輔助搭建腳手架，掛籃，或者使用專門的橋梁檢測車，人力物力財(cái)力耗費(fèi)較大，檢測效率低，還會妨礙交通運(yùn)營。在此背景下，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將無人機(jī)應(yīng)用于橋梁外觀檢測，對橋梁各部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)和深度學(xué)習(xí)方法等人工智能技術(shù)，進(jìn)行分析處理，可以有效提高橋梁外觀檢測水平，降低檢測成本，提高檢測效率。

1.2 研究目的及意義

消除橋梁外觀檢測傳統(tǒng)方法的弊端，利用無人機(jī)采集圖片及數(shù)據(jù)，再進(jìn)行圖像識別及分析處理，高效、準(zhǔn)確地反映橋梁外觀的真實(shí)狀態(tài)。

1.3 創(chuàng)新點(diǎn)

無人機(jī)采集圖像后，通過計(jì)算機(jī)圖像識別系統(tǒng)高效準(zhǔn)確處理圖像，準(zhǔn)確對橋梁裂縫、凸起等病害識別和測量。

2 無人機(jī)橋梁檢測的現(xiàn)狀及前景

2.1 橋梁檢測現(xiàn)狀

隨著我國科技不斷進(jìn)步，對公共設(shè)施建設(shè)的規(guī)模漸漸擴(kuò)張，各方面的建筑工程都有很大的進(jìn)步，尤其是橋梁建筑，橋梁數(shù)量增多的同時(shí)也需要對其進(jìn)行定期保養(yǎng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前需要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)的橋梁已經(jīng)占我國已建成橋梁總數(shù)的40%左右[1]。如果沒有進(jìn)行定期檢測維護(hù)保養(yǎng)，不利于延長橋梁的使用壽命，有病害不能及時(shí)解決，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致橋梁坍塌，后果不堪設(shè)想。故為了維護(hù)橋梁壽命，保證橋梁安全，對橋梁檢測的方法及技術(shù)的研究和創(chuàng)新極為重要。

橋梁檢測主要是檢查和評估橋梁的外觀和結(jié)構(gòu)。其外觀檢測傳統(tǒng)方式要用肉眼觀察以及依靠橋梁檢測車、三腳架、望遠(yuǎn)鏡登高車、橋塔檢修吊臺等輔助工具。對于橋梁病害的檢測還會用到光學(xué)裂縫測寬儀、裂縫卡片等專業(yè)儀器。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，漸漸使用無人機(jī)、機(jī)器人等進(jìn)行檢測。

2.2 無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

無人機(jī)技術(shù)最早出現(xiàn)于1914年的第一次世界大戰(zhàn)中，隨著人們對其認(rèn)識的增加，對無人機(jī)技術(shù)的開發(fā)也是越來越精深，應(yīng)用范圍也是越來越廣、愈加細(xì)致。無人機(jī)在工程監(jiān)理中應(yīng)用廣泛，代替人工巡檢，省時(shí)省力，且無人機(jī)小型輕便，可以從空中巡視施工盲區(qū)、死角等人力不及之處，直觀反映施工動態(tài)，為項(xiàng)目提供更高效、直觀的決策信息，有效促進(jìn)了項(xiàng)目現(xiàn)場管理。

國內(nèi)在利用無人機(jī)進(jìn)行橋體的外觀檢測已取得重大突破，對橋梁外觀檢測是橋梁檢測的重要組成部分，著重檢測橋梁病害及其具體位置，并檢測橋梁外表的蜂窩、孔洞、掉角、剝落和裂縫等病害面積占總面積的比重，利用圖像提取系統(tǒng)和基于圖像處理技術(shù)的病害檢測程序，并根據(jù)圖片呈現(xiàn)的信息，結(jié)合GPS、飛行軌跡和照片時(shí)序等信息確定病害的實(shí)際位置，計(jì)算出圖像中每像素對應(yīng)的實(shí)際長度，從而得出病害的實(shí)際缺陷面積或長度，且這種理論方法已經(jīng)成功地運(yùn)用于實(shí)踐，對于裂縫十分細(xì)微，僅憑肉眼觀察難以發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)檢測中很容易被忽略的情況，采用基于圖像處理技術(shù)的橋梁外觀病害檢測算法，能有效檢測出來。通過現(xiàn)場無人機(jī)數(shù)據(jù)采集后, 將圖像等數(shù)據(jù)下載, 利用視頻和圖像處理軟件, 分析并確定發(fā)生病害的具體位置和病害尺寸等[2]。

2.3 無人機(jī)檢測橋梁的優(yōu)點(diǎn)

1)檢測橋梁高效。無人機(jī)可以直接檢測到難以到達(dá)的預(yù)期位置并且可以重復(fù)多次采樣關(guān)鍵細(xì)節(jié)，且檢測時(shí)間比手動檢測要短得多。

2)安全性高。不需要搭架等大型設(shè)備去檢測橋座、橋腹等危險(xiǎn)部位，檢測人員的安全得到了保障。無人機(jī)搭載高清相機(jī)，提高橋梁細(xì)節(jié)部位檢測的精確性。

3)檢測成本低。節(jié)約人力物力，無需中斷交通，不會對橋梁周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。

2.4 無人機(jī)檢測橋梁的缺點(diǎn)

1)對使用無人機(jī)的人員要求較高，需要對無人機(jī)操作有一定專業(yè)性。

2)無人機(jī)避障技術(shù)需要一定提升，偶爾會受到環(huán)境影響如GPS信號缺失等問題。

3)對后期圖像識別技術(shù)要求高，需要優(yōu)化橋梁圖像分析的算法并探索利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別、分析數(shù)字圖像的可行性。

3 傳統(tǒng)橋梁檢測問題

1)傳統(tǒng)的橋梁檢測方式很難直接檢測到預(yù)期位置，而需要借助一些輔助措施，操作十分困難。首先，對于某些危險(xiǎn)場所如橋座、橋腹等，傳統(tǒng)方式對于人員都有一定的安全隱患；考慮到地形限制，涉水高空橋梁的傳統(tǒng)檢測，安全性也極低。其次，有些橋梁具有特殊的結(jié)構(gòu)例如懸索橋、大跨、高墩橋梁、斜拉橋以及拱橋的斜拉橋鋼索、橋梁底部、高塔柱頂?shù)炔课贿M(jìn)行檢測時(shí)，存在檢測盲區(qū)，在視線能力之外，而傳統(tǒng)的檢測必須搭架或吊籃進(jìn)行檢測，方法十分局限，效率也非常低。

2)傳統(tǒng)橋梁檢測都為人工檢測，通常使用肉眼直接觀察，主觀性會影響觀測結(jié)果，或者使用橋梁檢查車、雙筒望遠(yuǎn)鏡、裂縫觀測儀等工具去檢測橋梁是否有裂縫、開裂破損、氧化腐蝕等病害。然而對于輕微病害，當(dāng)橋梁出現(xiàn)輕微損傷甚至在陰暗處時(shí)，無法近距離觀察，細(xì)節(jié)常常會被忽略，檢測精度不高，效率太低。另外，傳統(tǒng)的橋梁檢測裂縫通過敲擊或者聽聲來辨別，無法精確到病害具體位置，存在很大的局限性。

3)傳統(tǒng)橋梁檢測以人工為主體，每個(gè)人工的技術(shù)、能力存在差異，在檢測的途中，人工有一定的風(fēng)險(xiǎn)，無論是時(shí)間還是精力，都得不償失。首先，在進(jìn)行橋梁檢測時(shí)需要封閉道路，中斷交通，對周邊群眾、城市造成影響。檢測時(shí)間長，耗費(fèi)人力物力，安全性也極低。其次，傳統(tǒng)檢測占用時(shí)間較長，容易受天氣影響。

4 解決對策

4.1 無人機(jī)全方位巡航解決橋梁檢測盲區(qū)問題

傳統(tǒng)橋梁檢測方式主要是利用橋梁檢測車、登高梯等簡單檢測平臺和橋底檢修通道進(jìn)行檢測，不管是何種檢測平臺，都只能檢測到橋面、一定高度的橋上構(gòu)件、通道范圍內(nèi)的橋底。如果利用無人機(jī)進(jìn)行全方位巡航，將大大減少橋梁檢測盲區(qū)范圍。

無人機(jī)的傳感器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)按照事先預(yù)設(shè)路線進(jìn)行巡航，傳感器系統(tǒng)由加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計(jì)、GPS等高精度設(shè)備組成[3]，保障無人機(jī)按規(guī)劃巡航、飛行過程中進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整以及防止撞擊外物，可行性高且安全穩(wěn)定。無人機(jī)按照指定路線巡航，可在近橋面，橋梁上部一定高度比如橋梁拉索位置，橋底部例如橋墩、橋腹、橋底座等位置巡航作業(yè)，從上到下全方位，由近及遠(yuǎn)全范圍進(jìn)行橋梁照片拍攝和視頻錄制(見圖1)。

不僅是在橋梁上空、橋梁兩側(cè)、道路上部、斜桿四周初步勘察，無人機(jī)在全方位巡航中可以近距離作業(yè)拍攝細(xì)部病害位置，比如檢查螺栓有無松動、鋼結(jié)構(gòu)涂層是否缺陷和銹蝕、焊縫是否開裂、橋面是否有裂縫和坑槽、是否需要修補(bǔ)等。

4.2 無人機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)解決橋梁檢測精度問題

在傳統(tǒng)橋梁檢測中，對于裂縫等病害通常采用肉眼觀察或者人工輔助測量儀器進(jìn)行測量，不僅精度不高而且人工作業(yè)難度大，諸多因素影響檢測結(jié)果。本研究將無人機(jī)傳回的照片應(yīng)用圖像識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動識別橋梁病害種類，確定病害的精確位置，測量裂縫寬度等諸多功能，精度高誤差小。

首先對無人機(jī)采集到的橋梁病害的數(shù)字圖像，進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、銳化、邊緣檢測、去噪、直方圖修正等處理[4]，得到增強(qiáng)效果良好的圖像，完成圖像預(yù)處理。

然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)科學(xué)、高效的圖像識別算法，完成裂縫的識別及裂縫寬度測量，實(shí)現(xiàn)橋梁裂縫的自動識別與檢測，顯著提高橋梁檢測的精度與效率。

4.3 無人機(jī)作業(yè)解決傳統(tǒng)橋梁檢測的時(shí)間限制和人工限制

傳統(tǒng)橋梁檢測只能在適宜條件下進(jìn)行人工作業(yè)，應(yīng)用無人機(jī)則可以突破這些限制。無人機(jī)設(shè)置定時(shí)巡航進(jìn)行橋梁檢測，形成固定周期巡檢，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁問題，減少橋梁封閉檢查時(shí)間。無人機(jī)搭配計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只需要少量人員進(jìn)行無人機(jī)操作和后期橋梁結(jié)果分析，大大減少橋梁檢測的工作量[5]。

5 結(jié)論

由以上分析可知，即使傳統(tǒng)橋梁檢測有許多難點(diǎn)弊端，但無人機(jī)檢測方式的應(yīng)用使其問題迎刃而解。無人機(jī)檢測不僅可解決檢測盲區(qū)的問題，降低危險(xiǎn)性，提高效率，更解決了傳統(tǒng)橋梁檢測的人力物力問題。無人機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，大大提高了橋梁檢測精度。

6 展望

設(shè)想未來深入的研究可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)從地面起飛后在區(qū)域內(nèi)向不同方向飛行自動尋找橋梁位置進(jìn)行巡航檢測，由此可以形成一種多無人機(jī)全區(qū)域橋梁檢測系統(tǒng)，完成檢測后將自動尋找下一個(gè)待檢測目標(biāo)，無需工作人員到達(dá)橋梁地點(diǎn)并進(jìn)行設(shè)備遷移，使用更加快捷高效。