無人機在海南島燈塔建設中應用的研究現狀

◎ 余沛杰 彭鐘 李海峰 陶鵬 交通運輸部南海航海保障中心海口航標處

1.引言

無人機技術作為一種新興的技術手段，其在各行各業中的應用越來越廣泛。在海洋工程建設領域，無人機技術的應用也得到了快速發展。中國海南省地處東南亞海域，擁有眾多海島，是中國南海地區的重要組成部分，其中不少地方需要建設燈塔，以確保海上交通安全。因此，海南的燈塔建設對于提高海上安全水平具有非常重要的意義。然而，由于海南島的特殊地理位置和復雜的海域環境，燈塔在建設過程中也遇到許多挑戰，為解決這些挑戰，無人機技術被應用到燈塔建設當中。本文將以海南島燈塔建設為研究對象，綜合分析了無人機在海南島的燈塔建設中的應用現狀，并對其未來在燈塔建設和航海保障方面的發展進行了展望。

2.無人機在燈塔建設中的應用現狀

2.1 建筑測量

海南島周圍是復雜的海域環境，包括淺灘、珊瑚礁、暗礁等，同時海南島也經常遇到臺風、暴雨等惡劣天氣的影響。這些環境給燈塔建設帶來了很大的挑戰。傳統的人力測量方法需要耗費大量時間和人力，并且受到天氣和海洋條件的限制；而在燈塔建設中，精確的測量和數據采集是非常重要的，但傳統的建筑測量需要耗費大量的時間和人力，而且往往無法達到足夠的精度。無人機的出現，使得這些問題現在在無人機技術的應用中可以得到解決。

相比傳統的建筑測量方法，無人機技術可以通過高空航拍和測量等方式，獲取燈塔建設區域的地形、地貌、水深等信息，為后續的設計和施工提供支持，同時也減少了人力和物力的消耗，提高了工作效率。

通過搭載高精度的測繪儀器，如高清攝像機、遙感紅外相機、紅外熱像儀、雷達、三維掃描儀等裝備，無人機可以對燈塔建設現場進行高精度的測量和數據采集[1]。例如由于海南地形特殊、海況復雜，利用傳統的測繪技術進行地形測量，往往存在測量數據不準確、效率不高等問題，而無人機配備的有高分辨率的數碼轉換器以及數據處理器，能確保拍攝的影像具有更高的分辨率，因此利用無人機遙感測繪技術能夠獲取燈塔建設場地周圍的真實的地形地貌數據，并能夠隨時了解燈塔建設過程對環境的影響變化情況。

無人機的出現，使我們在燈塔建設中可以結合傾斜投影技術對地形和土石方量進行測算。不同于傳統的正射影像 （從垂直向下角度拍攝地面），傾斜攝影技術通過垂直、傾斜等不同角度對地面采集影像，能夠高效、完整地還原地物狀況。垂直地面角度拍攝獲取的一組影像為正片，鏡頭朝向與地面成夾角拍攝獲取的影像為斜片。傾斜攝影技術的特點包括多角度觀測地物，更真實反映地物現實情況；傾斜攝影影像可實現單張影像測量；有效降低地物三維建模成本；傾斜攝影技術獲取的影像數據量小，便于實現共享應用。

以土石方量測算為例：通過利用地形數據建立不規則三角網（TIN），根據設計標高進一步形成三棱柱，最后通過三棱柱計算出土方量，統計得出燈塔施工區域的土方量。相比傳統數據采集效率低、作業復雜且對場地要求高，利用無人機可以實現對土石方量高效率、高精度、智能化測算[2]。

2.2 施工管理

圖1 博鰲燈塔

圖2 木欄頭燈塔

近年來，隨著海洋強國戰略的推進，燈塔建設工程步伐逐漸加快，傳統的施工現場管理難以應對大型基礎設施建設建造投入大、施工周期長、多工種交叉作業、海邊環境惡劣等因素的影響，利用無人機簡便高效的特點，通過整合飛行位置數據、圖像數據，能夠大大降低三維模型建立成本，生成實景模型與工程數據結合，輔助燈塔建造工程在施工進度、質量等方面的管理，擴大施工半徑，有效提高管理效率[3]。

無人機在施工具體環節上發揮著獨特的作用，在燈塔施工過程的后期，由于燈塔高度的問題，施工監督通常面臨需要高空作業的風險，采用肉眼觀察不可避免會遺漏部分隱蔽角落，存在施工隱患。利用無人機可以在施工現場進行監測和記錄，包括對高處的腳手架連接處、混凝土模板搭設、鋼筋綁扎等工序的檢查，保障施工質量和安全。

同時，無人機可以在高空對整個施工現場進行巡視和維護，及時發現問題并加以解決。

結合無人機的優勢與土木工程質量問題的特點，無人機在燈塔建設施工過程中質量管理中的應用主要為：

1）無人機搭載自動掃描攝像頭，圍繞建筑物或橋梁隧道等工程表面飛行，定點懸停觀測，將圖像傳輸至地面站，經圖像處理等軟件技術自動識別裂縫等信息；

2）配有360°全景攝像頭的無人機三維建模技術，結合圖像特征提取技術，記錄質量問題所在位置[4]。

2.3 檢查維護

在燈塔建設后，燈塔的檢查和維護也是一個重要的環節。而傳統的檢查和維護需要依靠航標工作人員進行，而且往往需要在燈塔附近的海面上進行操作，具有一定的風險。而無人機技術的應用則可以解決這些問題。

通過搭載高清攝像頭、紅外線相機等設備，無人機可以對燈塔進行全方位的檢查和維護。工作人員可以通過無人機拍攝的圖像和視頻數據，對燈塔的運行情況進行分析和判斷，包括燈塔的塔體、燈器外觀和其他設備等多方面的檢測，及時發現問題并進行處理。無人機的應用也可以大大減少負責檢查工作人員高空作業的風險，提高工作的安全性。

無人機巡檢燈塔需要根據具體情況選擇合適的機型和相應的巡檢方案。一些研究已經提出了相應的無人機巡檢燈塔的設計方案和應用方案。例如，現在有人設計了一種垂直起降固定翼無人機用于燈塔巡檢，并進行了實驗驗證。另外還有人則開發了一種多旋翼無人機用于燈塔巡檢，并對其進行了應用研究。無人機巡檢可以進行燈塔外部結構的檢查，如燈塔塔體、燈籠、燈光、支撐結構、防護罩等。通過無人機巡檢，可以有效地發現和解決燈塔存在的問題。

3.未來發展趨勢

隨著科學技術的不斷發展，無人機更新迭代越來越快，隨著各種新型無人機的問世，無人機在燈塔建設中的應用前景更加廣闊。未來，無人機技術將可能會在以下幾個方面繼續發展和應用：

3.1 自主作業

目前，無人機在燈塔建設中主要是進行檢測工作。但是隨著無人機技術和人工智能的不斷發展，無人機的自主飛作業能力將會成為未來發展的重點方向，例如通過開發具備一定人工智能的無人機使其具備自主判斷燈塔運行狀況的能力，在發現故障產生可以直接發送報警信息到航標遙測遙控系統，無需再操作無人機拍照或錄像后上傳系統；或者利用無人機進行燈塔燈光拉距測試，通過無人機搭載感光等設備，測試燈塔燈光照射距離，可以極大降低燈塔拉距測試成本，簡化拉距測試的作業流程，無需出動船舶進行測試。

自主作業可以使無人機更加靈活、快速地應對各種環境和任務，從而提高工作效率和精度。

3.2 多機協同作業

在燈塔建設中，有時會經常遇到單架無人機無法獨自完成作業的情況。例如，在物資運輸環節，單架無人機面對大重量物資會面臨過重無法起飛，或者由于物資過重影響續航，此時通過多架無人機可以協同運輸更大的物資，提高運輸效率，同時多架無人機也可以避免續航不足導致墜機，通過多架無人機分擔貨物重量，從而減少運輸風險；在燈塔施工過程，利用多架無人機進行燈塔外墻涂料噴刷，極大降低燈塔施工過程中裝飾裝修環節的涂料噴刷高空作業風險，為燈塔的施工安全管理帶來極大的質量保障。未來，多機協同作業將會成為無人機應用的又一個重要方向。

3.3 智能傳感和數據分析

隨著無人機應用的不斷擴展和智能化，其搭載的傳感設備和數據采集系統也將會不斷升級。未來，無人機將會搭載更加先進的傳感設備，能夠更加準確地采集環境數據和建筑數據，從而為燈塔建設提供更加精確的數據支持。同時，無人機還可以將采集到的數據通過智能算法進行分析和處理，提取有用的信息和結論，幫助航標遙測遙控系統變得更加智能化，從而更加準確地指導航標工作人員參與對燈塔的建設和運行維護。

3.4 物資運輸

在燈塔建設中，物資運輸是一個重要的環節。傳統的物資運輸需要依靠船只和人力進行，這種方式不僅費時費力，而且容易受到海洋環境和天氣條件的影響。海南島地處南海中心，距離中國南部沿海地區較遠，交通不便。在燈塔建設過程中，物資和人員的運輸成為一個重要的問題。傳統的海上運輸方式需要消耗大量時間和人力，而且還受到天氣和海洋條件的限制。

在南海區域的某些偏遠島礁上建設燈塔時，常常需要運輸大量的建筑材料和設備。這些物資大多需要通過海上運輸，而在海上運輸的過程中，受到海浪和風力等因素的影響，容易造成物資的破損和丟失。此時，無人機可以通過空中運輸的方式，將物資安全、快速地運送到燈塔建設場地。

4.結論

本文以海南島礁燈塔建設為研究對象，綜合分析了無人機在燈塔建設中的應用現狀，并對其未來的發展進行了展望。從建筑測量、施工管理和檢查維護三個方面對無人機技術在燈塔建設中的應用進行了探討。通過本文的分析，可以看出無人機技術在燈塔建設中發揮了重要的作用，不僅提高了工作效率和質量，還降低了經濟成本和安全風險。因此，無人機技術在燈塔施工建設領域的應用前景非常廣闊。

然而，無人機技術在燈塔建設中的應用還面臨著一些挑戰，例如，飛行環境復雜、人員素質不高、電池續航短、制造成本高等問題。為了克服這些挑戰，需要在技術研發和人員培訓等方面進行進一步的探索和改進。

綜上所述，無人機技術在燈塔建設中的應用已經取得了很大的進展，在航海保障方面和燈塔建設上具有廣闊的應用前景。相信在未來隨著科技的發展，無人機技術將會越來越成熟，更符合航海保障和燈塔建設的無人機將會出現，幫助航標工作者在燈塔建設中發揮更大的作用，為海上交通安全保障做出更大的貢獻。