基于無人飛機成像的橋梁裂縫寬度識別技術研究①

柏江源

(湖南高速鐵路職業技術學院 湖南衡陽 421000)

通常情況下，橋梁在沒有達到使用年限之前就會出現較多病害。在配筋混凝土橋梁中，橋梁出現裂縫是較為常見的病害之一。因此，在橋梁的使用過程中，需要對橋梁裂縫進行及時檢測，避免安全事故的發生。傳統裂縫檢測模式需要利用橋梁檢測車，該種模式在檢測的過程中需要架設各種設備，效率較慢，且對橋梁的正常通行產生不利影響。利用無人飛機成像技術不僅可以較為便捷的對橋梁裂縫進行檢測，且在檢測過程中不會影響橋梁的正常通行。

1 無人飛機懸停運動特性

根據公路橋涵養護的相關規定，如果橋梁出現0.2mm的裂縫時就必須進行相關處理。無人機成像受限于其特征，通常情況下在飛行過程中產生的航拍圖像分辨率不能達到相關檢測要求，且無人機在飛行過程中會由于氣流波動等因素干擾最終成像質量。因此，為了將無人機成像系統順利應用于橋梁裂縫檢測活動中，必須對其成像質量和飛行穩定性進行研究。

1.1 無人機成像系統運動性能測試

為了使無人機成像系統應用至橋梁裂縫檢測活動中，需要對成像系統的運動特性進行實驗。在本實驗中，筆者選用了一架八旋翼無人機進行實驗，在該無人機機身上安裝了成像系統。該套成像系統由激光測距儀、相機、云臺、減震系統以及飛行平臺等若干組件構成。

在該套成像系統中，影響成像質量的震動來源主要有兩方面：第一，經由減震系統減震處理后剩余的震動。第二，飛行過程中氣流引起的震動和旋翼旋轉產生的震動。為了研究成像系統震動的控制方法以及經由處理后是否能夠達到檢測要求，需要在該套成像系統的前端位置設置標記點。標記點的數量為4個，OX方向為成像系統拍攝方向。

圖1 成像系統標記點示意圖

在實驗過程中，需要利用專門攝像設備對無人機飛行過程中標記點的變化情況進行拍攝和監測。通過攝像設備的監測，可以測量出標記點在無人機飛行或懸停過程中的位置變化。在實驗場地選定方面，為了避免過大風速對測量結果的不利影響，選定了風速小于1m/s的空曠場地的上空。

1.2 無人機成像系統可行性分析

成像質量只要指成像與真實物體之間的差異程度，差異程度越小說明成像質量越好。在進行可行性分析的過程中，采用了掃描法中的光學傅里葉調制傳遞函數進行計算。該函數是目前用于計算和分析成像質量最為常用的方法。該函數的具體表達公式如下所示：

在以上公式中，表示在單位快門時間內的像移程序，N表示了與鏡頭相關的參數指標。在可行性實驗中，采用了某公司生產的5D Mark單反相機以及鏡頭，鏡頭參數指標為焦距24-105mm f/4 IS USM，該套成像系統成像的像素尺寸為5760×3240，在上述公式中，的數值在0～1之間，且該數值越趨向于1，則說明成像系統成像質量越高。

在OY軸以及OZ軸方向上的成像影響情況詳述如下：成像設備的拍攝方向的為OX軸方向，因此OY軸和OZ軸在光學系統方向上呈對稱分布。由此，可得到以下各式：

在上列各式中，d表示為無人機停滯狀態的像的位置，d'表示無人機成像系統在懸停狀態的像的位置，f表示攝像設備的光學焦距，H表示拍攝設備和被拍攝對象之間的距離。D表示未產生振動時被拍攝對象的位置，D'表示產生振動后目標的位置。表示拍攝設備的線位移情況，表示在傳感器上的像移情況。計算步驟為：將OY軸方向、OZ軸方向的最大值、最小值以及平均值乘以0.1，可以計算出數值，將該值代入

表1 MTF(N)的具體數值

其后，將攝像設備參數代入

最終，獲得的具體數值。最大值、最小值以及平均值的具體數值的見表1。

2 像素解析度計算

在進行像素解析度分析時需要運用三點激光測距儀，將測距儀和快門同步測量的物距L帶入下式中，并結合透鏡的成像原理進行計算。可得下式：

在該式中，L'表示像距，f表示拍攝設備的光學焦距。假定：A為被拍攝目標的真實尺寸，在橋面裂縫檢測活動中即代表橋面裂縫的寬度數值，A’設定為成像中的尺寸，可得下式：

將①帶入②中，可得下式：

在該式中，A''為拍攝設備產生的像素數值，d表示拍攝設備中圖像傳感器的長邊長度，D表示拍攝設備中圖像傳感器的長邊像素數值，則可得像素解析度計算公式為：

3 無人機成像在橋梁裂縫寬度識別活動中的具體應用

3.1 成像實驗

筆者利用八旋翼無人機以及配套成像設備選定了某混凝土橋梁進行了裂縫檢測實驗，實驗表明：在利用了穩定設備并對無人機拍攝回傳圖像進行相關處理后可以滿足相關檢測標準的要求。但是在人工手持成像時可能出現拍攝設備抖動量較大出現的圖像模糊的情況，在部分情況下還會出現對比度較低的情況。

3.2 無人機回傳圖像處理

在無人機圖像拍攝設備獲取圖像后，需要針對圖像進行處理，以便對橋梁裂縫的準確判定。通常情況下，需要按照如下流程進行圖像處理以提取關鍵信息：第一，利用無人機設備采集橋梁裂縫圖像；第二，對無人機回傳圖像進行灰度處理，灰度處理能夠對原始圖像進行處理，改善其對比度不足的問題。第三，對圖像進行濾波增強處理；第四，進行最大熵閾值分割處理；第五，進行SVM裂縫訓練，并將裂縫進行標記和提取；最后，進行裂縫寬度的計算。

4 結語

運用無人機成像系統進行橋梁裂縫的檢測與識別相較于傳統檢測模式具有多種優勢，其不僅可以獲得符合檢測標準的圖像，還可以減少由于橋梁檢測活動造成的交通擁堵情況。但是，其在運用的過程中也會受到遙控信號、不良天氣的影響，需要進一步克服相關難題才能更進一步提升橋梁裂縫檢測的效率和質量。