無人機技術在工程檢測行業上的運用現狀和展望

摘要：近年來隨著無人機技術的發展，無人機技術開始越來越多地用于農業植保、消防、電力巡檢、物流運輸、建筑、測繪等方面。無人機技術在工程檢測領域的應用對于提高我國工程檢測行業的工作效率起到了重要的作用。文章首先對無人機技術的發展做簡述，針對工程檢測行業中的運用現狀，從無人機測繪遙感技術、建筑物外立面檢測、混凝土缺陷和鋼結構缺陷檢查四個部分闡述了該技術的運用現狀，并對未來進行了展望。

[作者簡介]張安佶（1996—），男，碩士，從事建筑結構實體檢測、建筑質量檢測智能比、工程智慧監測等工作。

無人駕駛飛機簡稱無人機（unmanned aircraft system，UAV），是利用無線電、線導等遙控技術和航空器本身所自帶的飛行程序控制裝置操縱的不載人飛行器。無人機技術發展稍晚于有人駕駛飛機，于一戰期間由英國皇家海軍利用水上飛機機體改造制成，作為海軍炮兵訓練用靶機。此后，無人機技術發展日漸成熟。在冷戰期間，由于U2有人偵察機在蘇聯被擊落，造成較大國際影響，為減小偵查成本和提高效率，美軍有針對性地開發了無人偵察機。冷戰結束后，隨著微型電動機技術、開源飛控技術、高能量密度鋰電池技術和計算機技術的日益成熟，無人機技術開始實現大規模下沉，在多個領域進入非軍事日常運用。

1 無人機技術在我國運用的基本情況

中國無人機研發源自1966年研制成功的“長空一號”。21世紀初，我國開始了民用無人機技術運用的探索。2003年5月1日，由國務院、中央軍事委員會頒布的《通用航空飛行管制條例》[1]對無人飛行器納入管理，并在2018年6月印發的《民用無人機駕駛航空器經營性飛行活動管理辦法》[2]上對無人機經營性飛行做出具體要求和規定。

當下我國無人機主要進行航拍作業、RTK測繪、飛行表演等商業活動。據公開資料顯示，我國無人機運用最多的是農業植保領域，占比達42 %，其次為電力巡檢領域為17 %，之后依次為消防、物流、測繪、建筑以及其他[3]。目前，無人機在工程檢測領域的應用較少，市場提升空間較大。

近年來，無人機技術為建筑業提供的服務不斷增加，2020年5月20日正式開始實施中國航空器擁有者及駕駛員協會發布的T/AOPA 0001—2020《無人機搭載紅外熱像設備檢測建筑物外墻及屋面作業》[4]，為無人機搭載特定任務負荷進行建筑業技術服務工作提供了依據。

2 無人機技術在工程檢測行業上運用現狀

隨著實時監控技術的進步，建設單位、施工單位、監理單位、政府行政主管部門和第三方檢測鑒定機構可以利用無人機系統的低成本性和高機動性，盡可能多地在項目現場利用攝像頭捕獲視頻數據和圖像數據，并根據這些數據生成即時成果或非即時成果。無人機技術可大規模地用于：對建筑物、橋梁、基礎設施的施工過程控制;對建筑物現狀的檢查;在惡劣天氣和緊急情況下，對道路交通現狀快速評估，監測路面損壞及基礎設施損毀的情況;對施工過程的質量控制;對施工人員的安全管理。

當前，無人機在建筑業上的運用主要通過搭載非接觸式傳感器如相機、激光雷達、紅外相機等攝像器材進行，主要包括：建造前期的建筑物選址勘察勘測，建造中期的基坑進度監測，建造期的建筑建造進度把控，以及建筑物全壽命維護周期中的現狀檢測、修復、面積測算、外立面危險性評估等工作，具有成本低廉、操作簡單、作業時間較短等優點，適用于單體建筑和一定區域范圍的群體建筑。

2.1 無人機測繪遙感技術

傳統建筑測繪技術通過對人工參與建筑物點、線、面相關特征數據進行采集，將特征數據按照結構規則組織起來，通過體系化的描述表達抽象概括，按照嚴格的工業標準實現建筑物的整體或局部的幾何構造進行描述，通常使用Autodesk公司的AutoCAD、谷歌公司的Sketchup和微軟公司的3D Builder對紙質數據進行數字化，結合GIS數據運用平臺，實現特定地理坐標下的建筑物交互建模工作[5]。相比無人機測繪遙感技術，傳統建筑測繪技術可精準表述建筑物的結構體系關系和輪廓，但建模精度較低，紋理偏差較大，對面積較大的建筑物進行測繪時，需要在現場投入大量人力，效率低，周期長，建模時效性差[5]。

無人機測繪遙感技術就是通過無人機攜帶相應的任務荷載到達指定高度后，按照預設航跡，通過手動控制和軟件自主控制，依據一定的圖像采集方向和采集頻率，在保證采集圖像的航向重疊率和旁向重疊率的情況下，根據采集精度的不同，在距離建筑物一定距離進行測繪后生成基于圖像二維或三維成果的過程，從而獲得常規手段不易獲得的高精度鳥瞰圖[6]。

無人機測繪遙感技術有一些優越性：

（1）通常情況下，為了保證航測數據的準確性，盡可能地減小誤差，無人機需攜帶RTK定位模塊，鏈接GNSS移動地面站模塊，從而縮小定位誤差。其輸出成果通常包括測區采集圖像集、測區二維正射圖像、數字線畫地圖（DLG）、數字正射圖像（DOM）、數字高程模型（DEM）、數字格柵地圖（DRG）等。

（2）相比目前常用的衛星航空攝影測繪手段和載人機航空測量手段，無人機航空攝影測量可用于繪制比例尺更小的數字產品。

（3）由于活動空域高度較低，無人機使用僅受天氣影響，可在低空氣象條件較好的情況下實現隨用隨放的效能。

（4）無人機使用成本相對載人機、衛星（特別是早期的固定翼航拍和旋翼機航拍）以及人工作業更加低廉，對項目成本控制具有積極意義。

（5）不同于載人機和衛星需要專業化的數據采集設備，無人機對搭載設備要求較低，僅需民用級別相機即可完成項目任務，從而節省大量設備購置和維護成本，為未來適配于BIM-GIS系統性評估做數據采集[7-8]。

（6）對三維高精度模型，探索多無人機協同航線規劃采集和單無人機復雜航線規劃能力，可作為地面激光掃描儀、光探測和測距設備（LiDAR）、GPS和全站儀的精細化數據補充。通過現場手動航線規劃、航線規劃軟件運作（多邊形航線、環形航線等）后，采用Acute3D公司開發的Context Capture Center軟件、Pix4D公司開發的Pix4DMapper、Astrium公司開發的Street Factory、Agisoft公司開發的Photo Scan、武漢天際航信息科技公司開發的DP-Smart、深圳市大疆創新科技有限公司開發的大疆智圖等后處理軟件，進行全自動和較高精度的真實三維場景模型搭建工作[5，9，10]。

自2010年國家測繪地理信息局開始大規模運用無人機后，在建筑相關行業，無人機的使用標準規范已初步建立并在逐漸完善中，現已公開的標準有：DB34/T 3713-2020《公路工程無人機傾斜攝影測量技術規程》 、T/NTRPTA 0030—2020《無人機精準測繪技術規范》、GDEILB 007-2014《無人機數字航空攝影測量與遙感外業技術規范》等。

近幾年，已有一些城市利用無人機技術為數字城市建設提供幫助，2017年四川省遙感信息測繪院利用無人機測繪遙感技術成功對廣安市建成區進行傾斜攝影測量三維建模;利用無人機傾斜攝影和地面近景攝影相結合的方式實現重慶建成區的三維模型構建;利用三維可視化平臺GIS坐標疊加無人機傾斜攝影成果的形式對揚州市進行三維建模;利用SuperMap 7C數據可視化平臺對農村、城鎮社區的實景三維模型和社區信息進行匯總，探索智慧城市實現路徑[9]?，F階段常通過使用消費級無人機降低使用和維護成本[11]。

2.2 建筑物外立面檢測

無人機檢測可以有效克服現有的建筑物外立面人工肉眼檢測和手工測量外立面裂縫所帶來的效率低、成本高昂、檢測數據精度低或漏檢以及作業風險高的問題[12]。

通過使用搭載圖像采集任務荷載的無人機設備，對無遮擋或較少遮擋物的建筑外立面，按照預設任務軌跡以手動控制或軟件自主控制的方式對建筑物外立面進行外觀質量缺陷點位確定、缺陷區域描述，同時可對建筑外立面附屬設施安全性進行快速評估，確定危險區域，結合GIS地理信息系統可快速排查單棟和特定區域的建筑物外立面。

目前建筑外立面常用材料一般包括：玻璃幕墻、干掛石材、飾面磚（包括軟瓷材料）、外墻涂料、金屬飾板等。

在針對玻璃幕墻缺陷檢測時，無人機檢測技術在天氣良好的條件下可從建筑物外部接近建筑物外立面，對玻璃幕墻上受太陽照射受熱膨脹產生的玻璃邊部碎裂缺陷和整幅玻璃碎裂檢測上有較好的效果。但無人機目前無法做到在建筑外立面外側對玻璃幕墻所使用的結構膠老化程度進行現場取樣，仍需在現場進行人工取樣（高層建筑：索降、外立面工作平臺等，低層建筑：腳手架、吊車等方式），采用同批次結構膠性能評估的方式對玻璃幕墻使用的結構膠既有性能進行整體性評估。

在針對飾面磚缺陷檢測時，通過掛載紅外成像設備配合影像采集系統，對飾面磚外墻粘貼效果進行評估。通過數據整合對整棟建筑的外墻粘貼質量做整體性評價和三維展示，包括檢查飾面磚空鼓范圍、飾面磚脫落區域;對新建建筑外墻項目，可檢測飾面磚粘貼整體效果，墻面是否存在污染、泛白、變色等缺陷[4]。相對于傳統人工檢測，無人機檢測技術能夠對人工檢測中的部分環節進行替代，大大縮短中高層建筑外立面檢測上所花費的時間，顯著提升檢測效率，降低檢測人員自身的危險系數，提供建筑物外立面三維模型，有助于既有建筑外立面改造的實施。

目前無人機檢測技術在建筑物外立面檢測方面主要用于定期檢查、外立面修復定損、外立面改造前后對比、外立面改造誤差測量等工作，但不涉及外立面檢測現場取樣和現場試驗部分。對比目前常用于建筑物外立面檢測的常用方法（全站儀測量、三維激光掃描），無人機測量精度高于全站儀測量，但低于三維激光掃描的測量精度，占用電腦運算資源適中，總內外業工作時間最短，是一種適用于建筑物外立面中等精度快速普查的低成本高效方法[13]。通過利用場景三維特征的高度變化，還可以利用圖像的形狀和紋理特征;結合現實二維和三維數據的相關信息，快速檢測建筑外立面缺陷和損壞見圖1。

2.3 混凝土缺陷檢測

隨著既有混凝土建筑物的數量增加，既有混凝土建筑物的損壞、事故出現的數量越來越多，對于檢測鑒定機構和檢測人員而言，手持工具進入存在危險的建筑物是十分危險的。由于人工作業本身的限制，登高作業需要借助專用工具（如吊籃、升降機、梯子），對檢測鑒定的效率影響極大。故根據檢測鑒定現場的情況，利用無人機技術對大開間、混凝土結構面遮擋物較少的框架結構混凝土建筑（如：工業廠房、工業倉庫等）、大型樓棟（摩天大樓），使用搭載圖像采集任務荷載的無人機設備在建筑物外部或建筑物內部對混凝土外觀質量情況做出快速評估，對建筑檢測鑒定工作提供參考資料，從而為檢測鑒定機構提供建筑結構構件重點區域抽查和缺陷排查的先期評估資料。

典型的檢測作業流程一般是：在檢測現場保證光照條件的情況下，可在建筑物內部靠近建筑物結構層底部構件（梁、板底、柱上端）至距離結構點位適當的凈空區域，利用攝像頭、紅外成像等設備對建筑物內部的混凝土構件進行缺陷檢查檢測。

通過無人機檢測技術的使用可準確地檢查出混凝土外觀缺陷，混凝土構件是否帶病工作，混凝土構件表面裂縫的周期性采集[14]。該檢測方式特別適用于地面有一定障礙物，層高較大的混凝土結構工業廠房的日常巡查和檢測鑒定工作。相對人工乘坐登高車、腳手架、直梯等方式，無人機檢測技術具有檢測效率較高，檢測人員危險系數較小的特點，但無人機檢測技術不適用于樓面板底部環境較為復雜的情況，同時位于建筑物內部飛行時，受定位信號較弱限制的影響，對檢測人員的操控能力要求較高，相關設備損失的概率相比人工檢測要高見圖2。

2.4 鋼結構缺陷檢測

無人機檢測技術可根據檢測鑒定現場的情況，對鋼結構建筑內部（主要為廠房等較大開間，內部高空障礙物較少的結構體）進行檢查檢測工作。類似于上節混凝土缺陷篩查的工作步驟和程序，通過對照竣工圖紙，以鑒定區域為導向，逐軸線快速進行鋼結構連接檢查檢測的工作，可對鋼結構構件各節點連接作重點檢查檢測，當前無人機攜帶的相機分辨率已可達到檢測鋼結構構件上較大面積的缺陷檢測和鋼結構構件缺失的情況。對于鋼結構建筑安全性工作來說，最為重要的是檢查檢測鋼結構構件銹蝕現狀。鋼結構連接方法及工藝是否符合規范要求，斜撐結構是否完整。通過無人機檢測技術，可以較好地在短時間內完成有關檢查檢測工作，為接下來的構件檢查檢測確定好工作范圍和位置，提高工作效率，但無人機控制裝置在該工況下受鋼結構金屬部件的影響傳感器失穩風險較大。操作中，當無人機過于靠近鋼結構構件時，失控風險較大，為減少墜毀產生的損失，通常為無人機安裝飛行保護套。同時，受限于無人機所配備的鏡頭性能，在近距離觀測鋼結構上細小的裂縫、表面防護涂層小面積剝落時，存在漏檢風險，故暫時無法完全替代人工近距離目視觀察，見圖3。

3 無人機技術在工程檢測行業的未來展望

目前無人機技術在工程檢測行業上還處在初步應用階段，僅使用了無人機技術的基本功能，對工程現場、不同結構的結構缺陷情況進行現場檢查，并根據缺陷對應位置進行內業評估。在部分項目上嘗試使用卷積神經網絡CNN等方式對無人機采集的數據進行自動處理[15-16];利用無人機、歷史衛星圖像對比的方式對城鎮、農村違章建筑物進行查找判讀[17]，但是對部分不規則平面（如異形外立面、屋檐等位置）檢測精度還在一定的提升空間，同時受無人機飛行穩定性和有效載荷的限制，系統獲取的圖像存在相幅較小、傾角較大、采集圖像數量較多、圖像重疊度不穩定、不規則的問題[18]。由于設備本身的局限性和可搭載的任務負荷限制，目前無人機只能夠記錄建筑物外部的細節和紋理，很難像激光三維掃描技術（TLS）一樣同時記錄建筑物內部的細節和紋理[19]。未來利用無人機群和地面采集系統組網組成智能觀測系統，對建筑物、基礎設施（鐵路、橋梁、電力線路等）進行長期周期性檢查自動評估（大數據云處理平臺）正在成為可能[20]。

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