無人機航測技術(shù)在大壩裂縫檢測中的應(yīng)用研究*

唐忠海，陳章傑，劉書婷，廖渝，李欣藝，李滟浩，袁士才

（長江師范學(xué)院，重慶 408100）

我國水資源分布不均，存在“東多西少、南多北少”的格局，同時受季風氣候影響，水澇、干旱等災(zāi)害十分嚴重。2010 年底，中共中央、國務(wù)院頒布了《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》，提出加強農(nóng)田水利等薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)、全面加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等一系列措施。其中，大壩修建是水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要一環(huán)，在水力發(fā)電電力、農(nóng)業(yè)灌溉、生活飲水、防洪抗旱等方面發(fā)揮著十分重要的作用。

根據(jù)中國大壩工程學(xué)會2017 年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國壩高在15 m 以上的大壩有3.8 萬座。壩體在服役過程中不僅要承受各種荷載及突發(fā)性災(zāi)害作用，還要承受環(huán)境侵蝕，導(dǎo)致安全性能隨著時間推移而逐步衰退[1]。目前，高壩大庫運行安全狀況總體良好，小型水庫安全問題仍是我國水庫大壩安全管理的難點和薄弱環(huán)節(jié)[2]。

根據(jù)統(tǒng)計，1954—2018 年我國潰壩成因主要包含漫頂、質(zhì)量問題、管理不當?shù)确矫鎇3]。因此，加強大壩安全管理，排除其安全隱患，保障安全運行，關(guān)系到社會公共安全，意義重大。

1 大壩裂縫檢測研究現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測主要包含巡視檢查、環(huán)境量監(jiān)測、大壩表面和內(nèi)部水平位移及垂直位移監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測等[4]。大壩病害一般先出現(xiàn)在大壩表面，以裂縫最為常見。傳統(tǒng)的大壩裂縫檢測方法是搭建腳手架平臺或者懸掛吊籃，采用人工實地帶著裂縫寬度測定儀、超聲波混凝土裂縫檢測儀等設(shè)備進行檢測，該方法安全風險較高且費時費力。

隨著機器視覺和數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，非接觸式監(jiān)測技術(shù)手段應(yīng)用越加廣泛。盛金保等[5]基于混凝土微裂縫選擇性熱激勵理論，發(fā)明了熱激勵混凝土微裂縫識別設(shè)備，可遙控檢查混凝土微裂縫。譚界雄等[6]采用水下機器人進行壩體水下面板檢查，發(fā)現(xiàn)一處錯臺裂縫，查明了大壩滲漏的主要原因。王麗[7]基于數(shù)字圖像技術(shù)，提出了基于樽海鞘群優(yōu)化的圖像分割算法，對大壩裂縫圖像檢測具有重要意義。梅智[8]結(jié)合機器視覺方法和無人機技術(shù)，開發(fā)了基于無人機圖像的裂縫拼接-檢測軟件，在工程應(yīng)用中取得了較好的結(jié)果。魏思航等[9]通過無人機對結(jié)構(gòu)表面拍照，并應(yīng)用圖像識別算法，識別裂縫等缺陷特征，解決了人工檢測困難的問題。可見，圖像識別的基礎(chǔ)是圖像獲取技術(shù)，大壩正面圖像很難用傳統(tǒng)相機進行拍攝，但是無人機航測技術(shù)的發(fā)展，其便捷的操控性和搭載設(shè)備的可拓展性為圖像獲取提供了更加實用的手段。

2 航測實驗

重慶某水庫攔河壩為鋼筋砼面板堆石壩，壩頂長度為202.0 m，最大壩高為59.6 m，總庫容為1 280 萬m3，屬年調(diào)節(jié)水庫，其面板出現(xiàn)縱橫向裂縫，需進一步查明裂縫發(fā)育情況。依托此項目，利用無人機航測技術(shù)開展具體實驗。

2.1 實驗規(guī)劃

首先，進入項目現(xiàn)場，查看地形及周邊情況，檢查無人機電量及設(shè)置，并進行飛行前的準備工作；其次，實地布設(shè)像控點，建立飛行任務(wù)并規(guī)劃航線，根據(jù)情況進行手動補拍；最后，將外業(yè)成果導(dǎo)入相應(yīng)軟件進行處理，建立三維模型，提取所需信息數(shù)據(jù)。實驗技術(shù)路線見圖1。

圖1 實驗技術(shù)路線圖

2.2 數(shù)據(jù)獲取

飛行前，布設(shè)像控點，點位布設(shè)盡量在面板檢修平臺靠近并覆蓋壩體區(qū)域，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）設(shè)備精確測量點位坐標。為建立壩體區(qū)域三維模型，并提高測量精度。外業(yè)航測規(guī)劃見圖2。首先，用DJ GS Pro 進行航線規(guī)劃，飛機根據(jù)設(shè)置航線自主飛行；其次，航線測完后，降低飛機高度進行手動補拍，補拍要保重充足的重疊度，以獲取更加精確的壩面現(xiàn)狀；最后，檢查像片成果是否存在清晰度問題、丟片問題。

圖2 外業(yè)航測規(guī)劃示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

為建立大壩三維模型，本次采用了綜合性能較好的ContextCapture 軟件，經(jīng)過新建工程、導(dǎo)入數(shù)據(jù)、空中三角測量解算、重建項目等一些列流程，最終分別生產(chǎn)了OSGB 格式以及3mx 格式數(shù)據(jù)。其中，3mx 格式數(shù)據(jù)可直接用Acute3D Viewer 軟件打開，查看模型具體情況。圖3 為壩體模型示意圖。OSGB 格式則可利用其他軟件進行轉(zhuǎn)換，進行下一環(huán)節(jié)的成果處理。

圖3 壩體模型示意圖

為將模型中裂縫具體位置提取出來，本次實驗采用了北京清華山維新技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)的EPS 地理信息工作站軟件進行成果處理。首先，新建項目，在“三維測圖”菜單欄中進行OSGB 格式轉(zhuǎn)換，路徑選擇Data 文件夾，元數(shù)據(jù)選擇mxl 格式文件，最終在Data 文件夾內(nèi)生成Data.Dsm 文件。其次，加載本地傾斜模型，選擇前面生成的Data.Dsm 文件，即可在右側(cè)視圖窗口中顯示出所建模型，其空間坐標與像控點坐標系相同。最后，根據(jù)模型信息進行繪圖，繪圖成果會顯示在左側(cè)視圖窗口，見圖4 為繪圖過程示意圖。

圖4 繪圖過程示意圖

3 成果分析

在EPS 地理信息工作站軟件的繪圖過程中，可將裂縫編號信息與壩體面板編號信息一一對應(yīng)；繪圖完成后，可將Cass10 數(shù)據(jù)格式文件輸出為dwg格式文件，導(dǎo)出圖紙；將導(dǎo)出圖紙用南方Cass 測圖軟件打開，得到壩體裂縫位置示意圖（見圖5）。

圖5 壩體裂縫位置示意圖

根據(jù)壩體裂縫位置示意圖，可提取裂縫長度以及首、尾或關(guān)鍵節(jié)點的空間坐標信息（特別是起始坐標和終止坐標），并建立裂縫信息數(shù)據(jù)庫，其主要內(nèi)容見第65 頁表1。

表1 裂縫信息數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容

根據(jù)建立的裂縫信息數(shù)據(jù)庫，對其中的關(guān)鍵裂縫，再分別利用裂縫寬度檢測儀、裂縫深度檢測儀進行實地的裂縫信息采集，使大壩檢測更加有針對性。同時，建立裂縫信息數(shù)據(jù)庫可以有效地進行多期裂縫信息對比，實現(xiàn)裂縫發(fā)育狀態(tài)評估，對于大壩安全預(yù)判分析極為重要，因此，該研究的技術(shù)應(yīng)用是可行的。

4 結(jié)束語

我國西南地區(qū)地面河流資源豐富，水庫壩和水電壩眾多，運營管理中的定期監(jiān)測是確保大壩安全運行的前提保障。

本文依托大壩監(jiān)測項目，利用消費型無人機開展航測實驗，完成大壩三維模型的建立，并提取了裂縫的部分信息，實現(xiàn)裂縫信息空間坐標的提取，建立裂縫信息數(shù)據(jù)庫，為實地測量裂縫寬度、裂縫深度提供了具體的目標定位，也為今后進一步分析和評估裂縫發(fā)育狀態(tài)提供前期研究數(shù)據(jù)。

但實驗還存在一些不足之處，例如如何進一步提高實驗精度、如何進行圖像識別自動提取、如何非接觸或非人現(xiàn)場獲取裂縫寬度數(shù)據(jù)和裂縫深度數(shù)據(jù)等，由于人工現(xiàn)場測量裂縫有一定的安全風險，因此今后將繼續(xù)開展研究，提升無人機航測圖像的精度，探索機器人裂縫測量儀的研究與開發(fā)，提升大壩監(jiān)測項目的安全性。