無人機在公路橋梁檢測中的應用研究

焦 勝

（廣東和立土木工程有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

當前，我國的公路交通網絡已經基本建設完成，公路橋梁是整個公路工程的重要樞紐，在投入使用之后，公路橋梁本身的結構存在一定受損風險，進而帶來一定安全隱患，為了保證使用安全，對公路橋梁進行定期檢測能夠幫助工作人員充分了解其使用狀況，進而保障使用者的人身安全。無人機技術具有起降便捷、信息獲取快速等諸多優勢，將其應用在公路橋梁檢測領域能夠提升檢測質量與效率。

1 公路橋梁檢測重要性與作業類型

公路橋梁檢測的重要性主要包括：（1）能夠協助工作人員發現并解決公路橋梁在設計、施工階段可能存在的安全隱患，提升公路橋梁的使用價值，例如，在設計與施工階段，一旦存在一些操作不規范的問題且沒有被及時發現，那么就很容易對公路橋梁本身的質量造成嚴重影響，良好的橋梁檢測能夠幫助相關工作人員及時發現公路橋梁本身潛藏的安全隱患；（2）能夠為公路橋梁的后期運營維護工作提供科學指引。公路橋梁檢測能夠獲取到公路橋梁本身的諸多詳細信息，為技術人員提供更加詳細的技術資料，為公路橋梁的后期維護提供必要的技術支持。

根據需求不同，公路橋梁的檢測作業內容存在一定差異。從整體上講，橋梁檢測作業主要分為日常巡查、經常檢查、定期檢查、專項檢查四個基本種類，不同檢測作業的內容存在一定差異[1]。

2 無人機技術及其在公路橋梁檢測中的應用優勢

在公路橋梁檢測領域，無人機技術在其中主要能夠通過與BIM技術結合、無人機導航以及視覺定位、無人機高清攝影技術、計算機深度學習圖像識別等方式完成檢測工作，相比于傳統的人工檢測，無人機在公路橋梁檢測中的應用主要存在以下幾方面優勢：（1）提升檢測效率。在傳統技術背景下，在對懸索橋等特殊橋梁的橋梁底板、斜拉鋼索等位置進行檢測的難度相對較大，同時，傳統手段也很難形成常態化、高頻度的監測機制，對于輕微、累積性顯著的損傷很容易存在偵測不及時的問題，最后，人工檢測嚴重依賴人員個體素質。與人工相比，無人機監測在上述幾個方面具有比較明顯的技術優勢，能夠顯著提升檢測效率；（2）提高安全系數。在對特殊位置進行檢測時，采用傳統人工方式往往需要技術人員冒著一定風險，而無人機技術則只需要進行遠程遙控即可，其安全系數相對較高；（3）降低檢測成本。相比于傳統人工檢測而言，無人機監測不需要消耗較多的人力成本，同時，也不需要像傳統人工檢測一樣對橋梁交通進行控制，整體檢測成本相對低；（4）提升數據分析效率。在傳統技術背景下，對橋梁信息的記錄主要以文字記錄為主，其分析效率相對較差，無人機技術能夠通過中央處理器對數據進行有效處理，信息也能夠保存在硬盤中，其分析技術難度相對較小，有利于養護工作總體統籌[2]。圖1為無人機在橋梁檢測領域的現實應用。

圖1 無人機在橋梁檢測領域的現實應用

3 無人機技術在公路橋梁檢測中的應用策略

3.1 外觀檢測

外觀檢測是無人機技術應用于公路橋梁檢測的首要方法，在實踐中，技術人員需要根據橋梁特點，控制無人機在橋梁關鍵部位飛行，并獲取動態視頻流、靜態照片兩種形式的信息內容，在實際操作過程中，為了保證后期計算機處理的便捷性，對于無人機云臺相機的信噪比、靈敏度、像素、傳感器動態范圍等內容均存在一定要求，例如，在傾斜攝影建模過程中，相關技術人員可以采用大疆的X5S定焦鏡頭，在對裂縫、支座等細節進行拍攝時，技術人員可以采用大疆X7變焦鏡頭。

其次，在橋梁的不同位置，相關技術人員應當選擇不同的拍攝方式，以某鋼箱梁斜拉橋為例，可以選擇以下幾個拍攝方式：（1）橋梁上方。選擇始終面向橋體的方式，每個航點以45°傾斜的方式拍攝1張照片，環繞半徑20m、50m，環繞高度為15m、45m、85m；（2）橋梁兩側，選擇始終面向橋體的方式，每個航點以-30°、0°、30°拍攝3張照片，航線層距垂直間距為5～10m，航線層距水平間距為5～10m；（3）道路上空。選擇始終面向橋體的方式，每個航點以90°、60°、30°方式拍攝3張照片，高度保持10m，同時，航點間距控制為3m；（4）斜桿四周。選擇始終面向斜桿的方式，每個航點以水平的方式拍攝1張照片，航點間距控制為5m。

最后，無人機技術能夠結合計算機技術，對橋梁上存在的病害情況進行自動識別，并在模型上對其進行標識，同時，如果結果存在一定疑問，那么計算機能夠直接將相關信息發送到有關專家處，由人工對其進行進一步的深入識別[3]。

3.2 橋梁建模

在無人機飛行任務結束之后，會將所有收集到的視頻數據、照片數據上傳到云端服務器當中進行參數設置，包括對應傳感器尺寸、重建精度、文件大小限制等，隨后，由計算機自動進行多視角三維重建，并將所有圖片、模型進行關聯，在此基礎上對橋梁基本情況進行分析。無人機傾斜攝影三維實景建模通常能夠達到相當高的精度，一般能夠達到厘米級，同時，在后期階段，還可以根據自身需求進行單體化處理特例分析。但是，與此同時，在建模過程中同樣容易出現放大局部變形、細節美觀性差等缺陷，因此，在實際工作中，往往需要對橋梁下部進行地面補拍，同時，通常還需要利用探照光燈光源對環境光線進行補充。最后，為了提升質量，通常還需要采取空三計算、一體化自動建模、輔助軟件手工修模等方式提升模型整體準確度。

BIM建模技術在實踐中具有標準、快捷等重要優勢，在建筑行業中的應用已經達到了相當廣泛的水平，相比于點云建模，數字建模的清晰度、細節性均相對較強，在實踐中，可以將傾斜攝影建模技術、BIM技術充分結合，在BIM模型上粘貼實景地理數據，以滿足橋梁檢測需求。

3.3 檢測結果處理與分析

在建模完成之后，相關技術人員可以對照地圖數據、實地測量數據、模型測量數據，對無人機橋梁進行精準檢測，整體精度能夠達到厘米級，針對表面裂縫的檢測節能能夠達到毫米級。相比于傳統人工檢測而言，此種方式在精準度方面明顯提高，在橋梁檢測領域具有相當強的可行性。

筆者采用無人機技術對某橋梁進行實際測量，不同部位的具體誤差如下所示：（1）在右側樓梯寬度位置，實際距離為212cm，基于無人機技術構造的模型距離為220cm，兩者之間的誤差為8cm；（2）在左側樓梯寬度位置，實際距離為230cm，基于無人機技術構造的模型距離為230cm，兩者之間的誤差為0cm；（3）在右側樓梯圍欄高度位置，實際距離為112cm，基于無人機技術構造的模型距離為106cm，兩者之間的誤差為6cm；（4）在左側樓梯圍欄高度位置，實際距離為106cm，基于無人機技術構造的模型距離為98cm，兩者之間的誤差為8cm；（5）在非機動車車道寬度位置，實際距離為290cm，基于無人機技術構造的模型距離為295cm，兩者之間的誤差為5cm；（6）在圍欄外側平臺寬度位置，實際距離為370cm，基于無人機技術構造的模型距離為366cm，兩者之間的誤差為4cm；（7）在路燈桿與圍欄間距位置，實際距離為1755cm，基于無人機技術構造的模型距離為1750cm，兩者之間的誤差為5cm。

上述測量的平均誤差數值為5.14cm，基本能夠滿足橋梁檢測工作對于精確度的需求。

3.4 無人機技術在公路橋梁檢測中應用質量提升策略

無人機技術在公路橋梁檢測中的應用確實能夠提升檢測質量，但與此同時，無人機技術實際應用過程中仍舊存在一些較為重要的注意事項，本節對無人機技術在公路橋梁檢測中的應用要點進行簡要分析：（1）無人機很容易受到環境因素的影響，如風速、氣候等，因此在測試時應當盡量選擇較好的氣候條件；（2）無人機技術的應用效果也很容易受到硬件及軟件條件的影響，因此，在測試之前，應當結合實際需求選擇能夠滿足要求的無人機平臺及軟件設備。（3）無人機技術應用對于操縱人員的技術要求相對較高，不僅需要具有無人機操作經驗，還應當具備橋梁病害的基礎識別能力，因此，相關單位應當對相關工作人員進行培訓，在培訓合格之后才能讓技術人員實際操控無人機以及地面站控制軟件。（4）在當前的無人機技術應用過程中，主要是利用無人機的優勢對橋梁病害數據進行采集，雖然部分無人機也能進行部分具體的識別工作，但是限于其本身能力，自動病害識別技術仍舊沒有達到比較成熟的水平，很難實現視頻圖像數據的動態分析，因此，相關單位必須設定人工審核部門，對關鍵病害進行人工審核，以保證橋梁檢測的準確性。

4 結語

縱觀全文，隨著科學技術的不斷發展，無人機技術在公路橋梁檢測方面的應用已經具備了較強的可行性，能夠精準識別病害并將相關信息進行反饋。本文對無人機技術在公路橋梁檢測中的應用優勢以及應用策略進行了簡要分析，最終發現，基于建筑信息化的無人機檢測系統確實能夠顯著降低傳統橋梁檢測需要消耗的人工成本、時間成本、資源成本。但是，無人機檢測系統仍舊存在一些缺陷阻礙了其價值的充分發揮，如無法進行病害的動態識別等，相關領域的研究人員可以從這些角度著手，不斷優化無人機技術在公路橋梁檢測中的應用質量。