基于無人機遙感技術的橋梁健康檢測研究與應用

高昕 孫華 李林威

（福建林業職業技術學院）

當前，橋梁裂縫檢測的主要方式仍是由公路養護人員依靠橋檢車進行，輔以人工進行拍照，并在后期對數據進行處理，從而得到橋梁病害的結論。這是一種效率低下、時效性差、不能保證工作人員的安全、依靠人的主觀意識來進行判斷，其結果的精度存在一定的偏差，很難滿足當今快速發展的橋梁檢測需要。將無人機遙感技術應用于橋梁檢測對于橋梁安全發展自有重要意義，但當前國內外針對無人機遙感技術的研究尚處在起步階段，尚有諸多技術難題亟待解決，因此，本項目的開展具有重要的理論與現實意義。

1 橋梁檢測的重要性

橋梁結構屬于大中型建筑專業結構，由于載荷功效、疲勞與浸蝕效用、原材料脆化，以及缺乏及時的維護與維護，在使用年限內，不可避免地會造成損傷累積、抗力衰退，從而導致橋梁的使用壽命被縮短，甚至引發安全事故。為了防止意外事件的發生，必須對已完工的或者已經使用的橋梁選擇合理的方法，對其安全性進行檢驗、評定、鑒別和修補，以保證人們在日常出行中的安全和便利。

橋梁檢測主要包括了兩種類型，一種是結構性能檢查，另一種是外觀的檢測評定，其中結構性能的檢測是用力學實驗來完成的，而外觀檢測則是用來檢測橋梁的關鍵部位是否發生了裂縫、破損、露筋銹蝕等病害。在進行橋梁檢測的時候，橋檢人員需要深入現場，進行仔細的勘察，才能對病害程度有一個全面的認識，及時發現病害的大小，對損壞的部分產生原因進行分析，并對橋梁的使用情況和損壞程度提出書面意見。對于橋梁的維修、改造和加固都有很大的幫助，還可以將一些數據存儲到橋梁數據庫中，為橋梁的科學管理和維修提供更多的數據支持。同時，如何使橋梁的測試手段更加科學、可行，以確保長期的安全使用，并使其具有最大的社會效益和經濟效益。

2 傳統橋梁檢測與無人機檢測的區別

2.1 傳統橋梁檢測技術的弊端

對于特殊結構橋梁或者大跨、高墩橋梁的橋梁底板、高塔柱、斜拉鋼索、塔頂結構等部位的高效檢測，傳統橋檢方式還無法滿足。由于地形條件的限制，對于高凈空橋梁和涉水橋梁的日常檢測，以及對橋梁支座和橋下情況的全方位觀察都有一定的困難；其次，由于受到監測頻次和監測結果的制約，常規監測方法很難建立起常規、高頻次的監測機制，對于雖小但累積效應明顯的損害，往往會出現監測不夠及時的問題，不利于風險防控和預控。傳統的工作方式主要是以人力為主，訓練費用較高，而且個人的經驗、能力、積極性、責任感也有不同程度的差別。對于檢測橋梁、橋墩、橋墩基臺、塔架、橋網等部件、落地螺栓的鋼纜，傳統橋梁檢測方法有許多不足之處。

⑴在常規的橋面檢驗中，還需借助其它手段進行檢驗，費用高昂；

⑵對橋墩、橋墩、腹橋等易發生事故的部位進行檢測，需要搭設支架，由人員協助檢測，有一定的安全風險；

⑶如腹部、線纜等較難接觸到的位置，不能用手工進行精確探測；

⑷在對市內大橋進行例行檢測的同時，還要對道路進行控制，以妨礙道路的正常通行。

2.2 無人機橋梁檢測技術優勢

相比于傳統的探測方法，無人機探測的成本更低，探測技術也更科學，整個探測裝置體積更小，便于攜帶，不需要太多人參與，也不需要太多的輔助。與傳統方法比較，無人駕駛飛機橋檢技術具有如下優勢：

2.2.1效率高、整體性好

數據處理變得更有效，在后期，只需要利用BridgeMap 的病害處理軟件，對病害圖像展開分析，就可以迅速地出具各種病害卡、病害信息匯總表、明細表以及比較表等詳細的報告。無人駕駛飛機能夠抵達常規人工探測難以抵達的區域，并能對重要的精細部位進行反復取樣，具有高效、快速、比手工探測時間短的優點。

2.2.2靈活性高

高準確度的探測效果，利用高準確度的GPS 定位裝置，以及多個轉向架的支撐裝置，配合高準確度的攝像機，實現了橋梁破損構造的高準確度的拍攝；該系統的探測計劃是靈活多變的，可以在后臺進行更改，并且可以有不同的探測計劃供選擇，可以根據現場的具體情況做出相應的調整。

2.2.3成本低

無人駕駛橋面檢測不需要投入大量的人力物力，只需要一支飛艇就可以對整個橋面的病害圖像進行收集，并且利用無人駕駛飛機對病害進行初篩，可以極大地降低檢測成本。

2.2.4安全性高

無人駕駛飛機可替代人工對橋墩、橋梁基座、橋梁腹板等危險部位進行探測，極大地減少了操作者的人身安全隱患。

2.2.5影響小

無人駕駛飛機具有在空中固定位置進行觀測和實時傳送圖像的能力，在對橋梁進行多次檢測時，不需要對路面進行封閉，基本上不會對正常的交通造成影響。

3 無人機在橋梁檢測中的應用現狀與研究重點

3.1 應用方向

無人機橋檢技術在橋梁表面病害檢測，橋梁事故原因調查，橋梁施工調查，竣工驗收等方面具有重要的應用價值。

3.1.1輔助橋梁表觀病害檢測

對橋梁表面損傷進行輔助診斷，是當前無人駕駛橋面損傷監測的重要發展趨勢。例如，福建省南平市公路管理局通過無人機快速檢測到金溪大橋拱肋開裂、補強鋼板銹蝕、混凝土剝落、弦桿貫穿斷口等問題，并基于無人機獲取的高分辨率圖像，快速與有關部門協商，快速制定加固方案，并順利實施危橋處理。

3.1.2輔助橋梁事故原因調查

例如，美國混凝土協會（University of American Institute）在哥倫比亞建設管理局（Cirajara）的邀請下，對哥倫比亞在建斜拉橋（Cirajara）的一座塔身倒塌的橋梁進行了無人駕駛飛機的橋梁檢測，以幫助其進行橋梁檢測。

3.1.3輔助橋梁施工調查、竣工驗收

目前，國內外已經出現了許多應用無人駕駛飛機進行橋梁施工勘察和竣工驗收的實例。2023 年3 月12日，長江南京航道局大勝關航道處出動新組建的無人機驗收“方隊”，對江心洲大橋橋梁助航設施進行驗收。無人機驗收既減輕了職工的工作強度，又增加了工作安全性，同時也提高了工作效率，并能更好更全面地完成驗收工作，使驗收更精準。

3.2 研究重點

當前，對于無人駕駛飛機進行橋梁探測的研究主要是從理論上和實際應用上兩個角度進行的。技術方面，重點解決了無人駕駛飛機在橋梁下的信號缺失、病害數據的自動識別和安全性等問題；在實際工程中，對無人偵測技術的實用性，尤其是其與相關標準的適用性進行了研究。

3.2.1技術研究

一是全球定位系統信號的丟失。本項目擬針對無人飛行器中因鋼橋主體結構而產生的磁場屏蔽和橋面遮擋而造成的GPS信號丟失等問題展開研究。

二是疾病的自動辨識。本項目將圍繞“無人駕駛”這一關鍵科學問題，開展基于無人駕駛平臺的無人駕駛橋梁圖像識別方法的研究，通過對橋梁表面圖像特點的分析，結合圖像增強、圖像分割和去噪等技術，設計相關的圖像識別方法，對橋梁缺陷進行自動識別和標記，并對其進行定量的評價，如表面裂紋寬度和板面銹蝕等。

三是無人駕駛飛機的安全問題。重點解決在對橋梁具體部分進行探測時，無人駕駛飛機不能進行高效的路徑規劃、定位精度不能滿足橋梁探測要求以及存在較大的碰撞風險。

3.2.2應用研究

一是對無人駕駛橋面探測的技術效果進行評價。在此基礎上，重點針對無人駕駛橋梁測試技術的特征和相關的規范需求，對無人駕駛橋梁測試技術的應用領域進行了研究，并對其應用領域進行了研究。例如，美國特拉華河灣局于2016 年采用無人駕駛飛機對特拉華紀念橋的橋檢，通過與常規方法獲取的錨桿、混凝土橋墩、鋼絲繩、橋面上部結構等的動、靜影像資料進行比較，評價無人駕駛飛機橋檢的效果。

二是研制和開發專用的無人駕駛飛機橋檢測系統。主要研究內容包括：選擇具有穩定性的無人駕駛飛機，并根據橋上測試的特點，有針對性地開發和完善無人駕駛飛機測試平臺，以滿足橋梁專業測試的需要。例如，為解決橋梁水下局部損壞難以探測的問題，研制了一套可用于空中和空中交通的無人駕駛橋梁檢測系統。

4 無人機遙感技術在橋梁檢測中面臨的問題

近年來，由于無人駕駛飛機的能力不斷提高，專業化程度不斷提高，加上數碼影像技術的飛速發展，許多橋梁專家都對無人駕駛飛機進行了深入的研究。在此基礎上，本文提出了一種新的、具有實用價值的、可擴展性的多目標檢測方法。但是，從實際應用的觀點出發，現有的研究存在著一定的缺陷和局限。還有下列問題：

4.1 超聲波定位精度不高

常規航拍下的UAV 定位利用GNSS 與INS（GPS/INS）的聯合導引技術（GPS/INS 聯合導引）。在長航時，二者相互補充，并結合GPS 的長航時的穩定與精確特性，結合導航算法，可以達到更高的定位精度。針對橋梁探測無人駕駛飛機，尤其是在橋下探測時，容易造成無人駕駛飛機在探測過程中通訊中斷，接收不到訊號，造成導航系統失效；此外，由于橋梁大多為鋼筋混凝土或鋼質結構，其內部的鋼筋網格所形成的強大磁場不僅會對無人駕駛磁羅盤的工作特性造成不利影響，還會造成導航精度和穩健性的下降，使得無人駕駛無人駕駛技術難以在橋梁探測中得到應用。傳統的無人駕駛飛機對橋梁進行探測時，探測結果會受到環境因素（氣候、溫度、濕度、風速、電磁、物理等）的嚴重影響。

4.2 圖像畫面畫質不高

結果表明，目前的數據采集質量不高，速度慢；拍攝到的圖像中可能會存在陰影、污漬、噪聲等因素，現有的圖像增強算法和分割算法不能實現全方位地消除噪聲等干擾信息的影響，而且它們都存在著某種針對性，不具備普適性。在對裂紋進行分割時，由于缺少可供選擇的特征，容易造成對裂紋的誤判和漏判；如果同時考慮太多的特征，則會導致計算效率低下；目前，我國對損傷裂紋分類與評估體系的研究尚屬起步，有待進一步完善。鑒于國內外現狀，目前針對無人駕駛橋梁的研究大多是針對高精度的航跡規劃，尚未形成一套從無人駕駛影像獲取到基于影像的橋梁病害診斷的自動化體系。在實際應用中，對圖像進行有效的分類，其分類的速度和結果還需要進一步的改進，很少有實際的工程應用。但在工程應用中，受無人駕駛飛機續航能力和航跡規劃等因素影響，難以實現對橋梁各部位的精確、快捷、細致的探測。

4.3 定點懸停難度大

橋梁的損傷不能在三維空間內進行精確的定位。不管使用何種方法，其目的都是為了獲取疾病的物理、幾何特征。在常規的手工測試中，裂紋的幾何特征、裂紋的空間分布等都是依靠現場肉眼觀察、用鋼帶尺量測來確定。現有的基于影像的缺陷檢測和定位技術，僅能對缺陷進行2D 影像上的缺陷進行定位，無法對缺陷進行三維空間定位，從而影響后期評價結果的準確性。不同構型的無人機在穩定性、載重、續航、抗風能力、場地適應性等方面存在很大差異。為了獲得更好的檢測結果，通常要針對被檢測橋梁的種類和測試內容，設計有針對性的無人駕駛飛機平臺。例如，在對大跨度橋梁進行探測時，應選擇續航時間長的無人駕駛飛機；在對超寬橋進行探測時，由于缺少無人駕駛飛機的GPS 定位系統，在橋面上安裝有無人駕駛飛機的GPS 定位系統，紅外測距系統，視覺識別系統，雷達避障系統；當對某一座橋梁的具體部分進行探測時，為了滿足探測要求，必須選擇具有高航跡規劃精度和防撞性能的無人駕駛飛機。

4.4 后期檢測數據處理難度大

當前，有關橋梁的檢測資料在保存和使用上存在著較大的不足。一是以圖檔的方式保存了橋梁的基礎資料，而以文字記載為主要內容的技術狀態，查閱起來很不方便，而且沒有直觀的感覺；二是對病害的種類、部位和程度等進行統計和分析，主要依靠人工進行，并受到工作人員的技術限制；三是由于橋梁的歷史資料，例如病害的演變過程、維修記錄等，分散在各種技術檔案中，導致其完整性較差，從而影響了維修工作的整體協調。將無人駕駛飛機用于橋面檢測，能夠采集到橋面上的損傷信息，是一種很好的橋梁檢測方法。當前，疾病的自動化識別技術尚不完善，不能對影像資料進行實時、動態的分析，且診斷準確率亟待提高。在無人駕駛飛機的橋梁檢測中，如果遇到一些重要的缺陷，仍然需要通過人工進行進一步的確認和判斷。以橋梁裂紋為例，《公路橋涵養護規范》（JTGH11-2004）對裂紋大于0.2 mm 需進行養護，而目前的無人機橋檢測技術還不能實現裂紋寬度的定量判別。

5 無人機遙感技術應用于橋梁檢測的發展路徑探討

在橋梁檢驗工作中，存在著難以全面、難以按時、難以艱巨、難以完成、難以承擔的風險和高昂的費用。為了克服上述困難，采用了傳統的橋型檢驗方法，其優點是：人工識別靈活，前期投資少。缺點是：容易受到橋型和地理條件的影響，風險成本高，效率低。為此，今后的橋梁檢驗方法需要著重解決如下問題：

5.1 提高橋下定位能力

當前，有關橋梁的檢測資料在保存和使用上存在著較大的不足。一是以圖檔的方式保存了橋梁的基礎資料，而主要是以書面記載的方式記載了構件的技術情況，查閱起來很不方便，而且沒有直觀的可視性；二是對病害種類、部位和程度等進行統計和分析，主要依靠人工進行，受到工作人員技術水平的限制；三是由于橋梁的歷史資料，例如病害的演變過程、維修記錄等，分散在各種技術檔案中，導致其完整性較差，從而影響了維修工作的整體協調。目前，主要的解決方法是利用視覺導航，通過相機獲取圖像，以計算機作為控制站，對圖像進行處理，獲得導航信息，該方法的優勢在于不依賴外部環境，具有很強的自主性，但是，該方法涉及到光學、圖像、模式識別等多個學科的交叉，因此，技術路線比較復雜，很難實現。

5.2 提高圖像處理與識別能力

針對目前無人駕駛飛機遙感影像融合技術中，非多分辨率影像融合算法簡便、快速，但與多分辨率影像融合后的結果相比，其結果不夠理想，本項目擬采用多分辨率影像拉普拉斯影像融合方法，在不損失影像紋理與細節的前提下，通過拉普拉斯影像融合尋找最優影像縫合縫隙，實現影像的無縫拼接。在進行圖像拼接時，首先要對圖像進行配準，然后再對其進行融合。正確的配準與融合算法是進行影像拼接的關鍵。

5.3 提高無人機定點懸浮能力，適應復雜環境

當遇到強風時，橋面風場會對無人偵察橋面造成極大的影響，不僅會影響無人偵察橋面探測的效率，還會增大撞墻的危險。

從理論上講，最直觀的途徑就是提高飛行器的飛行距離和空氣動力。提高飛行距離可以保證無人機在受到外界擾動時有足夠的時間進行姿態修正和后續探測，提高飛行動力可以在一定程度上消除外界的擾動，但是這兩種方式都需要搭載大量的電池。當前，由于受到鋰離子電池能量效率的制約，為了提高UAV 的動力或續航能力，往往需要額外裝載更多的電池組，這給UAV 的機身及電子器件帶來了很大的負擔，短期內UAV 的續航能力難以得到大幅提高。

針對以上問題，一些學者提出了提高無人駕駛飛機探測工作效率的方法，如在大風天氣下進行合理的航跡規劃，以減少風場對航跡的干擾，但是，由于該方法的復雜性，目前仍停留在室內，尤其是在復雜的地形和地形條件下，其在橋梁探測中的實際應用效果還需要更多的測試。

5.4 提高后期數據處理能力

目前橋梁相關檢測數據的存儲與應用效率不高。一是橋梁基本信息以圖紙檔案的形式保存，構件等技術狀況以文字記錄為主，調閱不便且缺乏直觀性；二是病害類型、位置、程度等統計分析工作依賴手工完成，受限于人員的技術水平；三是橋梁歷史信息如病害的發展歷程、維修記錄等情況分布于不同的技術文件中，整合程度低，不利于養護工作的總體統籌。基于此，無人機未來的發展方向應是運用裂縫圖像處理算法，實現能快速計算出病害圖像的特征參數值，準確率能夠滿足工程要求。

6 總結

橋梁工程是反映現代社會經濟發展的一個主要指標，其建設與使用的安全性與穩定性，對人民群眾的生產、生活有很大的影響。然而，由于客觀條件、人為因素及技術運用等方面的限制，該項目在實踐中并未充分體現出其應有的價值。無人駕駛飛機是一種能夠確保橋梁各部件的質量的檢測手段，能夠以低成本、高效率和高穩定的狀態，對橋梁各部件進行病害、程度的檢測。但是，在實際中，它在實際中的運用并不顯著，主要原因在于它沒有與傳統的檢測方法相結合。為此，有關施工企業應以其為主要研究目標，在確定了無人駕駛飛機在橋面上的使用方式后，確定了其最優控制方式和策略。