無人機在橋梁檢測中的應用研究

朱彬彬

（蘇州市相城檢測股份有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

橋梁長期受到自然環境和運輸荷載的影響，不可避免地出現裂縫、銹蝕、材料疲勞等隱蔽缺陷，對橋梁的安全性和可靠性構成嚴重威脅。然而，傳統的橋梁檢測方法，如人工巡檢和地面測量，均受到時間和空間限制，存在一定的作業風險，且施工安全成本較高。因此，尋找一種高效、準確和安全的橋梁檢測方法極為重要，而無人機技術的快速發展為橋梁檢測提供了新的解決思路和方案。

1 無人機技術的概述和特點

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV）指的是一種沒有人類駕駛員搭乘的飛行器，無人機技術則是指利用航空器無人駕駛系統（Unmanned Aerial System，簡稱 UAS）進行各種任務和應用的技術，包含飛行器設計、航空電子技術、遙控和無線通信技術、傳感器和圖像處理技術等多個領域[1]?？梢酝ㄟ^遙控或預先設置的飛行計劃對無人機進行控制和導航，執行各種任務和應用。根據機身形狀和飛行原理的不同，無人機可分為多種類型，如多旋翼無人機、固定翼無人機、混合動力無人機等。

無人機技術的核心是無人駕駛系統（UAS），其包括無人機本身、地面站以及相關的數據鏈路和控制系統，其中地面站可以進行飛行控制、任務規劃和遙感數據處理等操作，也是與無人機進行通信和控制的中心；數據鏈路則負責無線傳輸無人機獲取的圖像、數據和指令。

此外，除了飛行器的設計和制造，無人機技術還涉及各種應用和任務的開發與實施，可應用于農業、物流運輸、環境監測、搜索救援、航拍攝影、橋梁檢測、科學研究等多個領域，并通過搭載各種傳感器和設備，獲取各種數據和圖像，為決策制定和問題解決提供支持，具有廣泛的應用前景。

2 無人機在橋梁檢測中的應用價值

2.1 節省人力物力，增強檢測安全性

首先，傳統的橋梁檢測通常需要檢測人員攀爬或懸掛在高空進行檢測，存在一定的人身安全風險，可能發生受傷或墜落。無人機搭載的高分辨率攝像頭可以提供橋梁全景視角的照片和視頻，便于檢測人員更全面、更清晰地觀察和評估橋梁的狀態。針對高大且難以接觸的橋梁部位，無人機可以提供更加直觀和詳細的信息。

其次，傳統的檢測通常需要使用大量的設備和工具，如攀爬裝備、繩索等，無人機則是一種相對輕便的設備，只需一名操作人員和相應的控制設備即可完成檢測任務，可有效減少檢測所需的物資和設備，從而降低成本。

2.2 提高檢測的效率和水平

第一，無人機配備高清攝像頭，還可以搭載各種先進的傳感器和設備，如紅外相機、激光掃描儀等，可以在較短的時間內對橋梁進行全面的拍攝和記錄，這些圖像和數據可以提供更全面的信息，幫助工程師或專家了解橋梁的實際情況，相比傳統的人工檢查方式，無人機可以更加快速準確地獲取橋梁的圖像和數據，顯著提高了工作效率。

第二，無人機可以覆蓋更大范圍的橋梁區域，人工檢測通常受到時間和人力的限制，難以覆蓋大范圍的檢測區域，無人機則可以通過航跡規劃和自動飛行功能，覆蓋整個橋梁結構，并對各個區域進行詳細檢測，以確保沒有遺漏的區域，并提高檢測的覆蓋率和準確性。

第三，無人機還可以通過無線傳輸將數據實時傳回指揮中心，并與其他數據進行整合，如地理信息系統（GIS）數據、歷史記錄等，通過將各種數據進行整合，可以更全面地了解橋梁的情況，識別潛在的問題和風險，幫助決策者進行有效的管理和維護，并采取相應的維護和修復措施[2]。

3 無人機在橋梁檢測中的實踐應用措施

3.1 結構檢測

首先，可利用無人機進行空中航拍，以其高分辨率相機和攝像頭對橋梁的外觀進行檢測，獲取高質量的照片和視頻，幫助工程師全面了解橋梁的狀況，包括結構缺陷、腐蝕、裂縫等問題，并自動采集橋梁的定量數據，如長度、寬度、高度等，用于建立橋梁的數字模型，方便進行后續的分析和評估，如圖1 所示無人機對某橋梁航拍進行檢測。同時，利用無人機搭載的紅外熱成像相機，對橋梁結構進行熱成像檢測，并通過捕捉橋梁結構的熱量分布情況，發現潛在的熱點區域，識別隱蔽的結構問題。

圖1 某橋梁無人機航拍

其次，無人機一般還配有激光掃描儀，可對橋梁的三維數據采集和建模，激光掃描還能夠精確捕捉橋梁的幾何形狀和結構細節，幫助工程師評估橋梁的狀態和損傷程度。

最后，無人機還可以搭載振動傳感器，用于監測橋梁的振動情況，通過分析振動數據，可以評估橋梁的結構穩定性和動態響應，發現潛在的結構問題。同時，收集橋梁周圍的環境和氣象數據，如濕度、溫度等，用于評估橋梁的耐候性和長期暴露下的結構健康狀況，確保橋梁的安全和可靠[3]。

3.2 定期巡檢

第一，在橋梁檢測的全生命周期中，可預先設置無人機的飛行計劃，進行定期巡檢任務，飛行計劃包括巡檢線路、飛行高度和速度等參數，確保無人機按照設定的軌跡自動進行巡檢，并以無人機所配備的高分辨率相機和攝像頭，在巡檢過程中獲取橋梁的圖像和視頻，以檢查橋梁表面的缺陷、裂縫、腐蝕等問題，及時發現潛在的結構問題。

第二，對于傳感器獲取的數據，可以進行數據分析和處理，便于工程師使用圖像識別和計算機視覺技術，對橋梁圖像和數據進行處理和分析，識別潛在的結構問題和損傷情況，并通過實時數據傳輸系統，將圖像和數據傳輸到地面控制中心，實時監控橋梁的狀態，及時發現潛在的結構問題或危險，及時采取措施進行修復或維護。

第三，在無人機定期巡檢的過程中，還可以利用遙控技術進行遠程操作，調整其飛行軌跡和參數，以全面覆蓋橋梁和高效巡檢，并自動記錄獲取的圖像、視頻和傳感器數據，生成詳細的巡檢報告，用于橋梁的歷史記錄和維護計劃，同時作為決策支持和問題解決的參考。

第四，無人機巡檢可以與其他技術和系統進行網絡化協同，例如，無人機的數據可以與橋梁結構的數字模型和監測系統進行融合，以提高整體檢測和監測效率，或與維修機械人員進行協同操作，以更好地應對所發現的問題，最大程度地保證橋梁的安全性，延長橋梁的使用壽命。

3.3 橋梁表面缺陷檢測

橋梁表面缺陷檢測是指通過分析橋梁表面的圖像和數據，檢測和識別可能存在的裂縫、腐蝕、損傷等問題。

首先，利用無人機所搭載的高分辨率相機，以及圖像處理技術和計算機視覺算法，可對橋梁圖像進行分析和處理，用于缺陷識別，常用的處理方法包括邊緣檢測、色彩分析、紋理分析等，可以有效增強缺陷的可見性。同時，在圖像處理的基礎上，可通過特征提取方法，篩選和提取與缺陷相關的特征，包括形狀、顏色、紋理、灰度值等，用于建立缺陷的特征向量，并與預先建立的缺陷數據庫進行對比。

其次，利用物聯網技術在無人機中輸入相應的數據和算法，對橋梁圖像進行分類和識別，常用的機器學習算法包括支持向量機（SVM）、隨機森林（Random Forest）、深度學習神經網絡等，并通過分析橋梁正常狀態和不同缺陷類型的特征，從而準確識別并分類缺陷[4]。

最后，在無人機識別缺陷過程中，還可以通過物聯網技術進行實時數據傳輸，便于工程師實時監測缺陷的識別過程，并生成相關的報告，包含缺陷的位置、大小、狀況等詳細信息，為后續的維護和修復工作提供重要參考。

3.4 橋梁的隱蔽缺陷檢測

除了表面缺陷外，橋梁還可能存在隱蔽缺陷，如果沒有進行及時檢測，可能導致結構失效、坍塌等嚴重事故，威脅公眾生命財產安全。

第一，使用無人機的紅外熱成像技術進行檢測，橋梁的隱蔽缺陷會導致局部熱量的異常分布，通過檢測溫度差異，可以發現潛在的問題區域；或利用無人機搭載的磁粉檢測設備，在橋梁表面進行磁粉探傷，其主要通過在缺陷區域施加磁場，利用磁粉顆粒的吸附現象來檢測橋梁中隱蔽的裂紋和缺陷。

第二，可在無人機上搭載超聲波探測設備，超聲波可以穿透材料，檢測隱蔽處的裂縫、空洞等問題，對橋梁內部進行超聲波探測，并利用物聯網技術將數據實時傳回地面，便于分析和評估。

第三，可在無人機上搭載激光掃描儀，對橋梁進行激光掃描，從而生成高精度的三維點云數據，通過分析點云數據，檢測橋梁的細微形變、裂縫等隱蔽缺陷。

第四，可利用傳感器設備和物聯網技術，集成橋梁結構的健康監測系統，如在無人機上搭載加速度計、應變計等傳感器，實時采集橋梁的振動、應變等數據，通過分析這些數據，判斷橋梁的結構健康狀況，并檢測隱蔽的結構缺陷，保證橋梁的安全性和穩定性，延長橋梁的使用壽命。

3.5 橋梁動力學檢測

橋梁是承載車輛和行人負重的重要結構，長時間使用和承受外部荷載可能導致結構的疲勞、變形和損壞，定期進行動力學檢測可幫助管理人員及時發現結構的異常振動和位移，為后續的維護和修復提供數據依據。另外，動力學檢測還可以輔助評估橋梁的結構安全性和穩定性，通過對橋梁的振動頻率、自然頻率、模態形態等參數進行分析，可以充分了解結構的固有特性，從而進行結構健康評估，預防和解決潛在的結構問題，并通過實時監測和分析，確定結構的負荷承載能力，判斷是否需要采取進一步的檢測措施或進行維修工作。

在利用無人機進行動力學檢測時，可為無人機搭載加速度計和慣性導航系統，實時獲取橋梁的振動和位移數據，用于測量結構振動頻率、振型以及預測結構的自然頻率等，并通過飛行模式和高度的調整，選擇不同的監測點位，以全面監測整個橋梁的動力學響應，包括主橋梁梁段、支座、連接處等關鍵部位，通過這些數據的采集和分析，及時獲取橋梁的動態響應信息，評估結構的健康狀況。

此外，無人機搭載的加速度計和慣性導航系統還可以獲取橋梁在不同時間點的振動模態，并通過數據處理和分析得出頻率、幅度、相位等參數，其對于識別橋梁異常振動、模態變化和結構變形而言至關重要[5]?；跓o人機收集的動力學數據，可以建立并驗證動態響應數值模型，并通過數學模擬和預測來評估橋梁的疲勞狀況和結構健康程度，從而確定維護計劃和維修措施，保障橋梁的長期安全運行。

4 結語

綜上所述，在橋梁檢過程中，為了提高檢測的準確性和科學性，可積極利用無人機高空飛行、靈活操控、功能齊全等特點，對橋梁進行更加全面、快速、準確的檢測，包括動力學檢測、表面缺陷檢測以及隱蔽缺陷的檢測。未來，應進一步加強無人機技術的研究，如在無人機中搭載全球導航衛星系統（GNSS）和慣性導航系統（INS），實現精確的定位和測量，并結合遙感技術，實現高精度的三維重建和形變分析，為橋梁結構的安全評估提供準確數據。