無人機在公路橋梁養護檢測中的應用

付振宇，郭宇鵬，鄭曉林

（1.延邊州公路管理處，吉林 延吉 133000；2.和龍市公路管理段，吉林 和龍 133500）

公路建設事業迅猛發展，公路里程紀錄不斷刷新，在提高交通出行便捷度、推動區域經濟發展等方面發揮著重要作用。公路橋梁在投入使用后，需要定期開展養護檢測，以保障公路橋梁的使用安全性、舒適性，最大限度地延長其使用壽命。然而，我國公路橋梁里程很長，養護檢測涵蓋范圍廣，需要配置相當數量的養護工程師實施專業橋梁檢測車檢測或者遠距離照相檢測，耗時、耗力，成本投入大。無人機技術的發展與推廣為公路橋梁養護檢測困局帶來了新的解決思路，合理應用無人機技術已成為提高公路橋梁養護檢測精準性與高效性、實現降本增效的重要路徑。

1 無人機與無人機橋梁養護檢測系統

無人機，即無人駕駛的飛機，誕生于20 世紀中期，前期主要用于軍用領域，直至20 世紀90 年代逐漸進入民用領域，并在多個行業得到了廣泛應用。無人機航測(航拍)遙感技術以無人機為空中平臺，高度融合遙控技術、視頻影像微波傳輸、衛星導航定位系統、高空拍攝、計算機影像信息處理等技術，通過無線電遙控設備精準獲取地面諸多信息，并依托計算機技術加工處理成高精度的三維圖像，它在快速獲取高分辨率影像方面的顯著優勢使其成為地空地表信息遙測調查、工作效益監測等方面的重要技術手段。

無人機橋梁養護檢測系統由無人機、無線遙控設備、高清攝像機、圖像智能分析軟件構成。首先，人工遙控無人機使其進入公路橋梁養護檢測區域，然后依托無人機上配置的攝像機設備采集公路橋梁各部位信息，并傳輸至圖像智能分析軟件，經分析處理后形成高精度的三維圖像，最后可通過公路養護檢修軟件精準識別公路橋梁是否存在病害問題，精度高達0.01mm。同時，還通過云服務存儲無人機橋梁養護檢測系統檢測的病害圖像，容量高達100 萬張，還能實現100M 以上的高清圖像傳輸。

2 無人機在公路橋梁養護檢測中的應用價值

2.1 空間分辨率高，數據精準

使用無人機進行公路橋梁養護檢測，控制其在低空飛行，可以結合實際需求進行垂直或傾斜成像。而且由于無人機飛行在云層高度以下，其搭載的高精度數碼成像設備可以多頻率、高精度地對地物采點，地面采點間隔可控制在5cm 以內，分辨率高達厘米級，因此可以獲取高精度、高重疊率的影像，局部信息獲取優勢顯著。而且還可以依托數據處理軟件分類處理地物采點云數據，自動獲得測定范圍內的地形圖、三維場景影像等，全面直觀地反映公路橋梁現狀，極大地提升了公路橋梁養護檢測的效率。

2.2 工作效率高，連續作業能力強

無人機遙測系統對硬件配置需求較低，僅需自帶攝影與無線傳輸設備，并提前規劃好飛行線路，即可快速完成信息采集與處理，幾分鐘內即可獲取正射鑲嵌結果與DEM 結果。操作人員僅需在控制點控制無人機飛行，執行航拍任務，可在短期內快速獲取大比例尺地形制圖等所需的測量數據，形成高精度的航拍數據與點云數據。通常情況下，在低空飛行模式下，一架無人機自主航程在300 ～500km，在12 小時內就可以獲取300km 的線狀工程航空影像，不僅工作效率高，而且可以連續作業，多次反復航測。

2.3 環境適應能力強

無人機對環境有極強的適應能力，可以靈活應用于不同的測繪環境中。無人機起飛無須專用跑道，只要平地合乎規格即可，而且還能通過彈射起飛。在復雜的地質條件下，可以靈活機動轉場，能夠攜帶雷達設備穿越森林植被，獲取更加精準的地表信息。此外，無人機受氣候影響較小，只要風力在7 級以內，且雨量不影響拍攝精度，即可執行飛行任務，突破了溫度、危險因素等因素的限制，可以完成許多載人飛機無法完成的航拍任務。

2.4 操作簡單且用途廣

使用無人機進行公路橋梁養護檢測，操作比較簡單，人員配置要求低，僅需一名操作人員即可完成檢測工作，且準備周期較短，在半小時內即可完成無人機組裝、調試與起飛工作。由于無人機對起降場地要求低，操作人員可以結合公路橋梁養護檢測需求隨時發出執行航拍任務指令，執行效率高。無人機自帶自檢功能，在執行任務中一旦檢測到故障問題，無人機就會自動返航至起點上空，等待操作人員排查故障，提高了儀器操作的穩定性與故障的可控性，降低了無人機的操作難度。而且無人機在外業數據采集期間會自動依靠儀器自帶的自動處理系統處理所采集的數據，無須專業繪圖人員繪圖即可獲得常規正射影像圖及三維建模。此外，無人機還可以結合公路橋梁養護檢測需求搭載不同類型的傳感器，以完成測量、調查、監測等不同的航拍任務，極大地拓寬了無人機的應用范疇。

3 無人機在公路橋梁養護檢測中常用的檢查方式

不同的公路橋梁在養護檢測上的需求不同，在具體應用中，可以結合實際檢查內容與工作量需求執行定點檢查、行車同步檢查等飛行輔助檢查任務。

3.1 定點檢查

如果公路橋梁養護檢測段落較短，或者病害分布比較集中，可以采取定點檢查方式，讓無人機定點起降，在重點檢查段落環繞飛行，有針對性地獲取高精度的病害圖像。首先，將檢查車停在病害嚴重位置，并做好安全防護舉措。然后，觀察路基段落情況，規劃無人機飛行路線。接著，組裝無人機，配置云臺相機、傳感器等公路橋梁養護檢測所需的設備，并進行設備調試。最后，操控無人機起飛，調整無人機高度與攝影設備角度，實施航拍任務，采集公路橋梁病害相關數據與圖像。

3.2 行車同步檢查

如果公路橋梁養護檢測路段較長，或者所需檢測的公路橋梁路段病害分布比較分散，則更適宜采用行車同步檢查的方式，以提高公路橋梁檢測的工作效率。但這種檢測方式需要同時使用檢查車與無人機，且需保持這兩種設備的高度同頻，因此實施難度更大，對無人機操作要求較高。首先，需要鎖定病害起始位置，并在此停車，做好安全防護措施，并組裝無人機、云臺相機等設備，合理調整無人機高度與相機角度。隨后，移除安全防護措施，啟動車輛，使其沿著應急車道緩慢行駛，速度應控制在20km/h以內，并確保無人機與車輛同步啟動、速度保持一致。然后，結合公路橋梁養護檢測實際調整無人機飛行姿態，全方位采集病害狀況相關數據及圖像信息，結合路線外側公里樁、百米樁標牌做好病害位置及病害狀況等記錄與分析。

4 無人機在公路橋梁養護檢測中航拍作業流程

4.1 準備工作

在實施無人機航拍作業前，應先采集航拍區域的自然情況與地理情況，分析已有的檢測成果，更加深入地掌握測區、周邊區域控制點及坐標信息，并以此為依據做好無人機航線設計。只有充分掌握公路橋梁測區的地形地貌與設施情況，才能最大化地保障無人機航線設計的合理性，提高無人機飛行的安全性，同時確保公路橋梁養護檢測數據的精準性與有效性。

4.2 布測相控點

在實習選點及埋石作業前，無人機操作人員應結合航拍需求收集公路橋梁測區及周邊區域的地形圖、各類控制點、GPS 控制點等現有資料，全方位整理與無人機航拍作業密切相關的供電、通信、氣候及交通等情況。然后，結合公路橋梁養護檢測任務要求，先在圖紙上布測相控點，綜合各項因素確定無人機起降位置，以最大化地減少高樓、水源、凹凸不平的地形等對無人機起飛及通信造成的不利影響，提高無人機飛行的安全性。

4.3 現場航拍作業

無人機在起飛抵達預定檢測地段后，操作人員應加強對無人機飛行速度、高度及軌跡的觀察，結合公路橋梁養護檢測需求及現場實際情況調整無人機的飛行姿勢、飛行高度及飛行速度等，以獲取高精度、高重疊率的影像，保障航拍作業質量。在完成航拍任務后，操作人員應做好無人機返航及降落相關準備工作，確保安全傘降回收，導出航拍相關圖像數據，并對無人機、設備系統情況及圖像數據等進行檢測和評估。值得注意的是，如果無人機在航拍過程中出現異常，應立即停止航拍任務，并操控其返航，在故障解除后，方可繼續執行航拍任務，以保障無人機的航拍質量及航拍安全。

4.4 內業數據處理

在完成航拍任務后，需要借助計算機軟件處理內業數據，將公路橋梁養護檢測相關數據、圖像等制作成三維點云圖，為后續公路橋梁養護檢測決策的制定提供依據。首先，要做好航拍影像資料、控制點數據、POS 數據等原始資料準備工作，確保所有資料處于完成狀態，航拍影像資料達到公路橋梁養護傾斜度要求，POS 與航帶變化影像數據相匹配。如果POS 數據與航帶變化相片號存有誤差，要手動修改，將控制點逐個刺到相片上，完成空三運算。最后，使用點云加密及Pix4Dmapper 算法計算每個像元高程值，并生成三維點云圖。

5 無人機在公路橋梁養護檢測中的具體應用

5.1 工程附近綠化整治

從無人機橋梁養護檢測系統生成的三維點云圖，可以分析公路橋梁所處的地形地勢情況，觀察公路橋梁綠化工程情況，有針對性地開展工程附近綠化整治。通過數據分析可以了解公路橋梁道路綠化的破壞情況，全面掌握公路橋梁及附近區域地面裸露情況，是否被植被大面積覆蓋、是否存在滑坡及泥石流風險等，以聯動林業部門做好相關的整治與處理，提高公路橋梁養護管理的有效性。

5.2 公路橋梁裂縫檢查

公路橋梁在使用過程中經常容易出現各類裂縫，如果處理不當，就可能導致裂縫持續惡化，從而影響公路橋梁使用的安全性。將無人機應用于公路橋梁裂縫檢查，可以全面檢查公路橋梁外觀，及時發現公路橋梁裂縫病害問題，全方位地掌握裂縫位置、程度等圖像數據信息，既提升了公路橋梁養護檢測效率，更能精準地為公路橋梁養護工作的開展提供依據。無人機對橋梁底部裂縫檢查如圖1 所示。

圖1 無人機橋梁裂縫檢查

5.3 對發生的滑坡及泥石流進行檢測

公路橋梁在運營過程中可能會受到滑坡及泥石流等自然災害的影響，需要及時進行清理以保障通行的安全。通過無人機航拍影像數據分析，對比滑坡點信息，可以及時檢測公路橋梁附近所發生的滑坡及泥石流等情況，盡快聯動相關部門采取應對舉措，以及時清除安全隱患。

6 結語

總而言之，科學技術的發展為公路橋梁養護檢測帶來了新的發展契機，相關部門應結合公路橋梁養護檢測需求，加強對無人機等先進技術的研究與應用優化，綜合應用多元檢測手段，以切實提升無人機技術應用實效，提高公路橋梁養護檢測效率，促進公路橋梁工程實現價值最大化。