基于圖像處理技術的無人機在橋梁檢測的應用★

史有玉,鄧 凌,楊紫艷,馬龍博

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150036)

1 概述

1.1 研究背景

為了延長橋梁壽命，提高橋梁安全性，對橋梁檢測方法和技術的研究必不可少。橋面的裂縫、拱起、坑洞、剝落及梁體裂縫等是橋梁檢測的重要內容。傳統的檢測方法基于人工視覺檢測，輔助搭建腳手架，掛籃，或者使用專門的橋梁檢測車，人力物力財力耗費較大，檢測效率低，還會妨礙交通運營。在此背景下，隨著無人機技術的發展，將無人機應用于橋梁外觀檢測，對橋梁各部位進行數據采集，利用數字圖像處理技術和深度學習方法等人工智能技術，進行分析處理，可以有效提高橋梁外觀檢測水平，降低檢測成本，提高檢測效率。

1.2 研究目的及意義

消除橋梁外觀檢測傳統方法的弊端，利用無人機采集圖片及數據，再進行圖像識別及分析處理，高效、準確地反映橋梁外觀的真實狀態。

1.3 創新點

無人機采集圖像后，通過計算機圖像識別系統高效準確處理圖像，準確對橋梁裂縫、凸起等病害識別和測量。

2 無人機橋梁檢測的現狀及前景

2.1 橋梁檢測現狀

隨著我國科技不斷進步，對公共設施建設的規模漸漸擴張，各方面的建筑工程都有很大的進步，尤其是橋梁建筑，橋梁數量增多的同時也需要對其進行定期保養。據相關數據統計，目前需要進行維護和保養的橋梁已經占我國已建成橋梁總數的40%左右[1]。如果沒有進行定期檢測維護保養，不利于延長橋梁的使用壽命，有病害不能及時解決，嚴重時導致橋梁坍塌，后果不堪設想。故為了維護橋梁壽命，保證橋梁安全，對橋梁檢測的方法及技術的研究和創新極為重要。

橋梁檢測主要是檢查和評估橋梁的外觀和結構。其外觀檢測傳統方式要用肉眼觀察以及依靠橋梁檢測車、三腳架、望遠鏡登高車、橋塔檢修吊臺等輔助工具。對于橋梁病害的檢測還會用到光學裂縫測寬儀、裂縫卡片等專業儀器。隨著科技的進步和發展，漸漸使用無人機、機器人等進行檢測。

2.2 無人機應用現狀及前景

無人機技術最早出現于1914年的第一次世界大戰中，隨著人們對其認識的增加，對無人機技術的開發也是越來越精深，應用范圍也是越來越廣、愈加細致。無人機在工程監理中應用廣泛，代替人工巡檢，省時省力，且無人機小型輕便，可以從空中巡視施工盲區、死角等人力不及之處，直觀反映施工動態，為項目提供更高效、直觀的決策信息，有效促進了項目現場管理。

國內在利用無人機進行橋體的外觀檢測已取得重大突破，對橋梁外觀檢測是橋梁檢測的重要組成部分，著重檢測橋梁病害及其具體位置，并檢測橋梁外表的蜂窩、孔洞、掉角、剝落和裂縫等病害面積占總面積的比重，利用圖像提取系統和基于圖像處理技術的病害檢測程序，并根據圖片呈現的信息，結合GPS、飛行軌跡和照片時序等信息確定病害的實際位置，計算出圖像中每像素對應的實際長度，從而得出病害的實際缺陷面積或長度，且這種理論方法已經成功地運用于實踐，對于裂縫十分細微，僅憑肉眼觀察難以發現，在常規檢測中很容易被忽略的情況，采用基于圖像處理技術的橋梁外觀病害檢測算法，能有效檢測出來。通過現場無人機數據采集后, 將圖像等數據下載, 利用視頻和圖像處理軟件, 分析并確定發生病害的具體位置和病害尺寸等[2]。

2.3 無人機檢測橋梁的優點

1)檢測橋梁高效。無人機可以直接檢測到難以到達的預期位置并且可以重復多次采樣關鍵細節，且檢測時間比手動檢測要短得多。

2)安全性高。不需要搭架等大型設備去檢測橋座、橋腹等危險部位，檢測人員的安全得到了保障。無人機搭載高清相機，提高橋梁細節部位檢測的精確性。

3)檢測成本低。節約人力物力，無需中斷交通，不會對橋梁周邊環境產生影響。

2.4 無人機檢測橋梁的缺點

1)對使用無人機的人員要求較高，需要對無人機操作有一定專業性。

2)無人機避障技術需要一定提升，偶爾會受到環境影響如GPS信號缺失等問題。

3)對后期圖像識別技術要求高，需要優化橋梁圖像分析的算法并探索利用神經網絡識別、分析數字圖像的可行性。

3 傳統橋梁檢測問題

1)傳統的橋梁檢測方式很難直接檢測到預期位置，而需要借助一些輔助措施，操作十分困難。首先，對于某些危險場所如橋座、橋腹等，傳統方式對于人員都有一定的安全隱患；考慮到地形限制，涉水高空橋梁的傳統檢測，安全性也極低。其次，有些橋梁具有特殊的結構例如懸索橋、大跨、高墩橋梁、斜拉橋以及拱橋的斜拉橋鋼索、橋梁底部、高塔柱頂等部位進行檢測時，存在檢測盲區，在視線能力之外，而傳統的檢測必須搭架或吊籃進行檢測，方法十分局限，效率也非常低。

2)傳統橋梁檢測都為人工檢測，通常使用肉眼直接觀察，主觀性會影響觀測結果，或者使用橋梁檢查車、雙筒望遠鏡、裂縫觀測儀等工具去檢測橋梁是否有裂縫、開裂破損、氧化腐蝕等病害。然而對于輕微病害，當橋梁出現輕微損傷甚至在陰暗處時，無法近距離觀察，細節常常會被忽略，檢測精度不高，效率太低。另外，傳統的橋梁檢測裂縫通過敲擊或者聽聲來辨別，無法精確到病害具體位置，存在很大的局限性。

3)傳統橋梁檢測以人工為主體，每個人工的技術、能力存在差異，在檢測的途中，人工有一定的風險，無論是時間還是精力，都得不償失。首先，在進行橋梁檢測時需要封閉道路，中斷交通，對周邊群眾、城市造成影響。檢測時間長，耗費人力物力，安全性也極低。其次，傳統檢測占用時間較長，容易受天氣影響。

4 解決對策

4.1 無人機全方位巡航解決橋梁檢測盲區問題

傳統橋梁檢測方式主要是利用橋梁檢測車、登高梯等簡單檢測平臺和橋底檢修通道進行檢測，不管是何種檢測平臺，都只能檢測到橋面、一定高度的橋上構件、通道范圍內的橋底。如果利用無人機進行全方位巡航，將大大減少橋梁檢測盲區范圍。

無人機的傳感器系統可實現無人機按照事先預設路線進行巡航，傳感器系統由加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、GPS等高精度設備組成[3]，保障無人機按規劃巡航、飛行過程中進行姿態調整以及防止撞擊外物，可行性高且安全穩定。無人機按照指定路線巡航，可在近橋面，橋梁上部一定高度比如橋梁拉索位置，橋底部例如橋墩、橋腹、橋底座等位置巡航作業，從上到下全方位，由近及遠全范圍進行橋梁照片拍攝和視頻錄制(見圖1)。

不僅是在橋梁上空、橋梁兩側、道路上部、斜桿四周初步勘察，無人機在全方位巡航中可以近距離作業拍攝細部病害位置，比如檢查螺栓有無松動、鋼結構涂層是否缺陷和銹蝕、焊縫是否開裂、橋面是否有裂縫和坑槽、是否需要修補等。

4.2 無人機結合數字圖像處理技術解決橋梁檢測精度問題

在傳統橋梁檢測中，對于裂縫等病害通常采用肉眼觀察或者人工輔助測量儀器進行測量，不僅精度不高而且人工作業難度大，諸多因素影響檢測結果。本研究將無人機傳回的照片應用圖像識別技術，實現自動識別橋梁病害種類，確定病害的精確位置，測量裂縫寬度等諸多功能，精度高誤差小。

首先對無人機采集到的橋梁病害的數字圖像，進行灰度轉換、銳化、邊緣檢測、去噪、直方圖修正等處理[4]，得到增強效果良好的圖像，完成圖像預處理。

然后利用卷積神經網絡，設計科學、高效的圖像識別算法，完成裂縫的識別及裂縫寬度測量，實現橋梁裂縫的自動識別與檢測，顯著提高橋梁檢測的精度與效率。

4.3 無人機作業解決傳統橋梁檢測的時間限制和人工限制

傳統橋梁檢測只能在適宜條件下進行人工作業，應用無人機則可以突破這些限制。無人機設置定時巡航進行橋梁檢測，形成固定周期巡檢，可以及時發現橋梁問題，減少橋梁封閉檢查時間。無人機搭配計算機系統，只需要少量人員進行無人機操作和后期橋梁結果分析，大大減少橋梁檢測的工作量[5]。

5 結論

由以上分析可知，即使傳統橋梁檢測有許多難點弊端，但無人機檢測方式的應用使其問題迎刃而解。無人機檢測不僅可解決檢測盲區的問題，降低危險性，提高效率，更解決了傳統橋梁檢測的人力物力問題。無人機結合數字圖像處理技術，大大提高了橋梁檢測精度。

6 展望

設想未來深入的研究可以實現無人機從地面起飛后在區域內向不同方向飛行自動尋找橋梁位置進行巡航檢測，由此可以形成一種多無人機全區域橋梁檢測系統，完成檢測后將自動尋找下一個待檢測目標，無需工作人員到達橋梁地點并進行設備遷移，使用更加快捷高效。