無人機(jī)航空攝影技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用研究

李 欣,林 婧,侯澤群,梁柱國

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;3.廣西昭揚(yáng)科技有限公司,廣西 桂林 541004)

0 引言

山區(qū)地形復(fù)雜多變,地面高差起伏大,路線跨越溝壑較多,故橋梁設(shè)計(jì)多采用高墩大跨的結(jié)構(gòu)形式。橋梁在運(yùn)營期內(nèi),需要進(jìn)行周期性的檢測。根據(jù)檢測頻率和目標(biāo)不同,分為經(jīng)常性檢測、定期性檢測和特殊性檢測。當(dāng)前橋梁檢測手段仍以目測為主,要求檢測人員必須到達(dá)橋梁的各個待檢部位。對于平原和丘陵地區(qū)的一般橋梁來說,檢測人員借助橋梁檢測車、梯子和支架等工具,即可方便地抵達(dá)橋梁的各個待檢部位。但對于以高墩大跨結(jié)構(gòu)為主的山區(qū)公路橋梁來說,存在以下困難:(1)高墩結(jié)構(gòu)、涉水區(qū)段、大跨拱橋拱腳等存在一定的檢測盲區(qū),檢測人員難以到達(dá);(2)危險系數(shù)比較大,給檢測人員帶來人身風(fēng)險,如橋檢車掛籃斷裂等事故;(3)檢測效率低,檢測準(zhǔn)備工作耗費(fèi)大量時間;(4)以目測為主要手段、以專業(yè)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的檢測方法不能滿足山區(qū)橋梁檢測的需要。

截至2020年底,我國公路橋梁總數(shù)達(dá)到91.28萬座,檢測工作量極其巨大。為滿足現(xiàn)有橋梁的檢測養(yǎng)護(hù)需要,也亟須開發(fā)一些快速、便捷和高效的橋梁檢測新方法、新手段。

近年來,隨著航空攝影技術(shù)的發(fā)展和無人機(jī)的普及,無人機(jī)航空攝影在橋梁檢測中的應(yīng)用受到橋梁養(yǎng)護(hù)部門的廣泛關(guān)注[1]。因此,研究無人機(jī)航空攝影在山區(qū)橋梁檢測中的應(yīng)用,具有重要的工程意義。

1 無人機(jī)航空攝影的應(yīng)用

1.1 無人機(jī)的配置

橋梁檢測無人機(jī)系統(tǒng)包含飛行器、云臺、相機(jī)、飛控系統(tǒng)、紅外測距系統(tǒng)和補(bǔ)光系統(tǒng)。飛行器采用大疆精靈Phantom 4 RTK多旋翼無人機(jī);云臺選擇DJI禪思Z-15云臺,角度抖動量控制在±0.01°范圍內(nèi);相機(jī)采用瑞鉑公司的RIY-D2M五鏡頭相機(jī)和索尼A8微單相機(jī);飛控系統(tǒng)采用DJI A3-Pro,其內(nèi)置GPS+北斗或者GPS+GLO-NASS組合定位;紅外測距系統(tǒng)采用與相機(jī)同步觸發(fā)的激光測距儀;補(bǔ)光系統(tǒng)采用補(bǔ)光燈。

1.2 基于BIM模型的航線規(guī)劃

無人機(jī)的操控可采用人工遙控或者自動巡航。與無人機(jī)航空測量不同,橋梁檢測需要無人機(jī)圍繞橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行貼近拍攝。如果采用人工遙控拍攝,則需要無人機(jī)一直在操作人員視線范圍內(nèi)飛行,尤其是無人機(jī)在橋下穿行時,既難以操作,也容易炸機(jī),風(fēng)險較高[2-3]。本文采取的方案是通過BIM模型或三維實(shí)景模型,規(guī)劃無人機(jī)飛行航線,實(shí)現(xiàn)自動巡航拍攝。

對于既有橋梁,如果有現(xiàn)成的BIM模型(公路橋梁常采用Bentley公司旗下的Power Civil、Bridge Master、ProStructure等軟件建模),則該模型已包含橋梁工程的全壽命周期內(nèi)的信息,如設(shè)計(jì)、施工、檢測和維護(hù)信息。如果沒有現(xiàn)成的BIM模型,可采用無人機(jī)傾斜攝影生成一個三維實(shí)景模型。具體方法是先對橋梁進(jìn)行遠(yuǎn)距離航拍,獲取大量圖像,然后采用Bentley公司的ConceptCapture軟件,依次通過讀取每張照片的相對位置和方向、校準(zhǔn)所有圖像、自動三維重建和紋理映射等步驟,建立一般精度的三維實(shí)景模型。與建模軟件構(gòu)建的BIM模型相比,實(shí)景模型不包含橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)體信息,但更加真實(shí)。上述兩種模型均可用于無人機(jī)檢測航線規(guī)劃。

混凝土表面裂縫寬度通常在0.1～2.0 mm。為保證裂縫等輕微病害清晰成像,圖像必須有足夠高的像素精度。無人機(jī)巡檢距離(即無人機(jī)與待檢橋梁的距離)和鏡頭焦距是直接影響成像清晰度的關(guān)鍵參數(shù)。巡檢距離近,像素精度高,但安全風(fēng)險高;巡檢距離遠(yuǎn),安全風(fēng)險低,但像素精度低。焦距過大會影響采集效率,過小會導(dǎo)致圖像精度不足。一般來說,巡檢距離為5～20 m時,圖像清晰度較好,可識別裂縫[4]。

根據(jù)橋梁檢測對無人機(jī)飛行要求的不同,將橋梁的檢測任務(wù)分為三部分:(1)橋面鋪裝、伸縮縫、護(hù)欄和錐坡等構(gòu)件的檢測;(2)墩臺和梁底等構(gòu)件的檢測;(3)支座、支座墊石和拱腳等構(gòu)件的檢測。

對于第一部分,可參照一般的航空測量無人機(jī),采用五視傾斜攝影的方式,同時拍攝橋梁構(gòu)件范圍內(nèi)的前視、后視、左視、右視和下視高清照片,從多角度拍攝病害照片,按照照片的航向重疊度和旁向重疊度在25%以上的要求,規(guī)劃航線,并同步記錄對應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)。參考現(xiàn)有技術(shù)成果[5-6],考慮交通安全,巡航距離取10～15 m。

對于第二部分,梁底病害往往能反映橋梁的承載能力劣化,屬于橋梁檢測的重點(diǎn)部分。航拍無人機(jī)定位采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合技術(shù),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)以較高精度巡航。但將無人機(jī)用于梁底檢測和墩臺檢測時,衛(wèi)星信號會受到橋梁上部結(jié)構(gòu)遮擋,導(dǎo)致飛控系統(tǒng)失靈,目前尚無合理的解決辦法。經(jīng)過多座橋梁試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在橋梁兩側(cè)開闊、沒有高山阻擋的情形下,無人機(jī)在梁底以下15 m通過時,可接收導(dǎo)航信號,能完成梁底的檢測。另外考慮到飛行安全,需要無人機(jī)與水面或河床保持10m距離。因此,對于墩高>25 m的橋梁可采用無人機(jī)自動巡航檢測梁底和墩身。對于墩高<25 m的橋梁,如采用無人機(jī)自動巡航拍攝,巡航距離取15 m,則檢測過程中飛機(jī)距河床或水面距離不足10 m,容易受到橋下樹木等干擾,安全不易保證,故建議采用人工遙控?zé)o人機(jī)進(jìn)行航拍。

對于第三部分,只能人工遙控?zé)o人機(jī),逐個拍攝支座、支座墊石和拱腳等構(gòu)件的照片,并對其進(jìn)行逐個檢測。

1.3 航空攝影圖像的拼接

由于巡檢距離較小,一張圖片往往不能反映一個構(gòu)件的一個投影面。為識別出完整的病害,并確定病害的準(zhǔn)確位置與尺寸,宜將多張?jiān)紙D像拼接,形成完整大圖。借鑒測量無人機(jī)圖像拼接參數(shù),經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,航向重疊率取25%,旁向重疊率取25%,可將原始圖像準(zhǔn)確拼接成完整大圖。

在機(jī)載計(jì)算機(jī)控制軟件中設(shè)置相機(jī)等距離采集圖像數(shù)據(jù),同時將無人機(jī)拍攝時的位置坐標(biāo)、巡航距離、相機(jī)云臺角度、鏡頭焦距等數(shù)據(jù)同步保存至圖像屬性信息中。采用Bentley公司的ConceptCapture軟件,從照片基本信息中讀取上述信息,完成圖像拼接。

1.4 病害特征的提取

混凝土結(jié)構(gòu)表面病害主要分為裂縫、蜂窩麻面、塊狀破損和露筋銹蝕等。其中裂縫是橋梁工程最常見的病害。裂縫特征包括裂縫起始點(diǎn)、走向和寬度。病害特征提取主要采用經(jīng)典圖像處理技術(shù)和基于人工智能的圖像處理技術(shù)。經(jīng)典圖像處理技術(shù)主要有基于灰度閾值分割、邊緣檢測和結(jié)合特定工具等方法,可在光線均勻且沒有噪聲污染的情況下,完整地提取裂縫邊緣,獲取裂縫的特征[7]。隨著人工智能的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的提升,基于深度學(xué)習(xí)的病害識別是當(dāng)前研究熱點(diǎn)[8-9]。目前已經(jīng)開發(fā)出多種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裂縫識別算法,能夠取得較高的精度,但在實(shí)際工程中的識別效果仍需進(jìn)行驗(yàn)證[10-11]。所以,目前在山區(qū)橋梁檢測中,一般采用李剛等[12]提出的遠(yuǎn)距離混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面裂縫精確提取算法,屬于傳統(tǒng)的基于灰度閾值分割的方法。照片合成后,依次通過裂縫區(qū)域截取、圖像區(qū)域增強(qiáng)、圖像分割、孤立噪聲點(diǎn)去除、裂縫標(biāo)記和寬度計(jì)算等步驟依序完成裂縫特征提取,在巡檢距離為15 m的情形下,可識別0.1 mm寬的裂縫,絕對誤差<0.05 mm。

2 工程應(yīng)用

以桂三高速公路某大橋?yàn)樵囼?yàn)檢測目標(biāo),該橋型為9～30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,鋼筋混凝土矩形墩,埋置式橋臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面全長270 m,橋墩最高處為32.5 m。本次檢測主要對橋梁的橋面鋪裝、梁體和橋墩進(jìn)行檢測,不包括支座及支座墊石。整個無人機(jī)航拍攝影橋梁檢測過程分為5個步驟,分別是無人機(jī)航拍攝影、三維實(shí)景模型建立、航線定制、飛行航拍和結(jié)果分析。檢測發(fā)現(xiàn):橋梁的梁底裂縫有4條,長度分別為1.5 m、2.2 m、1.6 m和2.0 m,最大寬度分別為0.22 mm、0.20 mm、0.18 mm和0.20 mm,均位于小箱梁底板;混凝土剝落1處,面積為0.4 m2。無人機(jī)檢測完成后,人工對該橋裂縫長度與寬度進(jìn)行復(fù)檢,并與無人機(jī)檢測結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),裂縫長度絕對誤差在10 cm以內(nèi),寬度分別為0.23 mm、0.22 mm、0.15 mm和0.18 mm,絕對誤差<0.05 mm。

與傳統(tǒng)的橋梁檢測方法相比,航空攝影橋梁檢測不需要中斷交通,可方便地拍攝橋梁的待檢部位,降低了檢測風(fēng)險和檢測成本。

3 結(jié)語

針對山區(qū)橋梁檢測手段的局限性和客觀存在的困難,將無人機(jī)航空攝影用于山區(qū)橋梁的檢測,顯示出極高的效率和精度,極大地減少了常規(guī)檢測手段存在的檢測死角和盲區(qū),降低了事故發(fā)生風(fēng)險和檢測費(fèi)用。但目前也存在技術(shù)瓶頸,如橋下無人機(jī)定位問題,制約了無人機(jī)在一般橋梁檢測中的廣泛應(yīng)用。