如何利用無人機進行橋梁缺陷檢測

摘 要：在當今社會，科技創新的浪潮推動了無人設備及人工智能技術的高速發展，為我國公路工程檢測行業也帶來新的突破。無人機搭載高性能傳感器，為構造物表觀缺陷檢測迎來了一次革命性的發展。它可以彌補傳統檢測不能完成的檢測項目，為公路橋梁養護維護提供了更加精確的數據支撐。

關鍵詞：無人機智慧檢測；拼接；定位文章編號：2095-4085（2024）09-0149-03

0 引言

在新基建的浪潮促涌下，我國公路工程行業正處于高速發展階段。截至21世紀20年代末，全國公路總里程484.65萬km，其中橋梁總數已達85.15萬座，5 568.59萬延米，而超過20%的橋梁存在各種隱患需要進行檢測維護。為保證橋梁安全，結構質量良好的橋梁也需要每隔三年檢測一次。

傳統橋梁檢測方法，一般采用橋梁檢測車架設操作平臺，人工下到橋梁底部進行檢測和數據采集，安全隱患及工作量大，采集效率低，檢測成本昂貴，并阻礙橋面交通。隨著科技進步，無人機及其掛載設備迅速發展，人工智能引領創新。無人機應用已經逐漸在各行各業普及。以無人機為平臺，掛載高清傳感器的無人機橋梁智慧檢測方案應運而生。無人機橋梁智慧檢測已成為發展的必然趨勢。

1 橋梁檢測的必要性

橋梁是公路連接的重要紐帶，它可以保障公路暢通，保證人們出行安全。如果橋梁出事那就是關乎生命、財產的大事。近年來，我國發生的橋梁垮塌事件多源于長期檢測養護的滯后、對橋梁檢測的低關注度以及病害缺陷的累積，最終釀成悲劇。為了防止悲劇的再次發生，本文建議將橋梁檢測養護周期頻率進行立法，強制要求建設單位定期或不定期對所管轄的橋梁進行檢查與維護。通過檢測可及時發現安全隱患，為橋梁維護提供可靠數據支撐，進而增加橋梁使用壽命，保障人民生命、財產安全。

2 傳統檢測的缺陷

傳統檢測主要是以橋梁檢測車為工作平臺，檢測人員下到橋梁底部進行檢測。檢測方式是以目測為主，通過使用檢測設備、相機、激光測距儀進行測量檢查。傳統的檢測設備比較單一化，在外檢過程中準確度偏低的問題較為突出。檢測人員通過人工觀察將橋梁底部病害進行標記、拍照、詳細記錄并存檔。通過對橋梁表觀缺陷及病害地檢測，可以直接了解橋梁受損的程度。但是傳統檢測危險程度高，工作效率低，并阻礙橋面交通，檢測成本一直居高不下，還易出現漏檢、誤檢等弊端。在這個以創新為背景的大數據時代，傳統檢測方式與時代大潮已經漸行漸遠。

3 無人機橋梁智慧檢測的優越性

近年來，人們開始了將無人機用于橋梁檢測的探索。它可以覆蓋傳統的橋梁檢測車難以到達的作業位置，對橋梁缺陷病害進行近距離、高精度采集，能使橋梁檢測的過程變得更快，更具經濟效益。無人機能通過各類傳感器設備，獲取大量數字化的圖像和信息，可以使橋梁的檢測信息更嚴謹可信，從而為橋梁檢測人員提供了科學可靠的數字依據。

無人機技術應用的高速發展為公路養護檢測提供了一種全新的解決方案，成為不遠的將來公路檢測的重要手段。目前國內外的研究人員，都在夜以繼日地進行積極的研究和探索。以橋梁檢測為例，在日常的橋梁巡檢過程中，特別是大橋、特大橋，使用無人機掛載高清攝像機對整個橋梁結構進行巡檢檢測，可以及時發現細微病害，提前做出必要的處治，進而延長橋梁的使用壽命。同時，也能降低整個橋梁維護工作的運營成本，提高工作效率，讓橋梁能夠得到及時的養護和管理。

4 無人機智慧檢測的方法

4.1 橋梁基礎資料收集與實際地理環境分析

本文案例以北環路仁壽山大橋無人機橋梁檢測項目為例。首先通過業主所提供的橋梁資料進行初級判斷。該橋為預制簡支變連續30m箱梁橋總共8跨，橋墩最高20m，橋長246m。該橋處于溝壑地帶，地勢平坦、視野開闊，有利于無人機橋梁檢測。

4.2 無人機及拍攝相機選型

在當今社會，無人機應用廣泛。在低空無人機行業應用領域，無人機主要分為固定翼、多旋翼和復合翼。固定翼無人機主要應用于勘察規劃、農業、環境檢測等行業；多旋翼及復合翼主要應用于傾斜攝影、電路巡檢、應急救援等。由于橋梁表觀病害檢測大部分工作在橋梁底部，橋梁下部空間狹小，墩柱系梁較多，且橋下偶爾有風，所以需要操控性、穩定性較強的機型。因此選擇多旋翼無人機應滿足以下條件。

（1）靈活機動，體積小巧，便于攜帶組裝。

（2）具有較強的穩定性和抗風能力，續航時間應在30min以上。

（3）能夠滿足橋下無gps信號條件下正常工作。

（4）需能掛載上置云臺、高性能云臺相機及良好的減震裝置。

（5）能夠搭載補光裝置。

根據以上需求，經過市場調研，本次檢測任務選擇了一架大疆M300。為提升飛行安全性及穩定性，其首次將雙目視覺和紅外傳感器同時引入到機身的六個面上，真正實現了全向環境感知、定位和避障能力。系統最大探測范圍達40m，可自定義避障距離。即使在橋底水面等復雜作業環境下，也可保證穩定飛行和避障。在橋下無GPS信號的情況下，主要通過計算機視覺定位技術的原理，對無人機搭載的視覺傳感器所獲取的各個方向的圖像進行圖像處理和特征點提取，從而獲得目標的圖像坐標，反向計算無人機的空中定位。

橋梁梁板裂縫是一種嚴重的結構問題，會對橋梁的安全性產生影響。所以，對橋梁梁板裂縫檢測成為重中之重。想要拍攝清楚裂縫，需選擇全畫幅傳感器相機，且相機要具有高分辨率。為確保無人機飛行的安全距離，相機鏡頭焦距應選擇在80mm以上。需經外業反復測試以滿足上述要求［1］。

4.3 無人機橋梁巡檢步驟

（1）準備工作。確定巡檢區域和時間，制定巡檢計劃和作業方案，檢查無人機設備是否齊備，對無人機進行預檢和充電。

（2）現場部署。到達巡檢區域后，選擇合適的起飛點和控制點，對無人機進行起飛點檢，然后安全起飛，進入巡檢區域。

（3）巡檢過程。采用高分辨率相機、紅外線相機、激光雷達等多種傳感器，對橋梁進行全面、多角度的拍攝和數據采集，以檢查橋梁的各項結構和設施是否正常。

（4）數據處理。將采集到的數據通過專業軟件進行處理和分析，得出橋梁的運行狀態和設施損壞情況，進而制定維修方案和維護策略。

（5）返回和整理。完成巡檢任務后，對無人機進行安全降落和設備整理，對巡檢數據進行歸檔和備份。

4.4 混凝土橋梁表觀病害圖像采集與智能拼接

準備好橋梁檢測無人機，本次任務旨在對橋梁底部進行高效巡檢。首先選擇專業的橋梁檢測無人機，并設置相機拍攝參數以確保任務的順利進行。如果遇到橋梁底部光線較昏暗的情況，可以隨時啟用補光裝置，以確保照片的質量。為了保證拼接質量和巡檢效率，要維持照片之間的旁向重疊率在30%左右。這樣就可以保證照片的拼接質量和無人機巡檢效率［2］。

在完成數據采集后，使用智能快速拼接軟件進行圖像拼接。在這個過程中，可利用人工輔助來合理添加控制點，以確保照片的快速精確拼接。這一步驟對于無損拼接病害照片非常關鍵。最后，導出拼接完成的照片，以供進一步分析和評估使用。

4.5 利用CAD實現病害定位

（1）安全距離確定。在無人機巡檢之前，必須制定并嚴格遵守安全距離標準，以防止無人機與橋梁結構發生碰撞或干擾。這包括確定垂直和水平的安全距離。

（2）設置比例尺線段。在橋墩上設置比例尺線段，可以是已知長度的標尺或比例模型，以便在后續進行圖像分析時能夠確定實際尺寸與圖像像素之間的比例關系。

（3）采集照片和圖像拼接。使用無人機采集橋梁結構的高分辨率照片，要確保覆蓋整個橋梁，并以重疊的方式采集，以便后續圖像拼接工作能夠順利進行。這項工作可以通過專業的無人機巡檢軟件來完成。

（4）CAD圖形繪制。在計算機輔助設計（CAD）軟件中創建橋梁的底部或腹板圖形，使用已知的比例關系來確保繪制的圖形與實際尺寸一致。其中包括橋墩、梁體、支撐結構等部分的繪制。

（5）圖像與CAD結合。需將拼接好的梁體病害照片與CAD圖形結合起來。可以通過將照片放置在CAD繪圖中，并根據比例進行縮放和校正來實現。要確保照片與CAD圖形吻合。

（6）標注缺陷。在CAD圖形中使用標注工具，如線段或文本框，標注出橋梁上的裂縫、損傷或其他問題的長度和位置。這些標注應能準確反映實際情況。

（7）生成報告。根據標注的信息和CAD圖形，生成巡檢報告。報告應包括橋梁的狀況描述、裂縫和損傷的詳細信息、位置坐標以及必要的維修建議。

（8）定期更新巡檢數據。定期進行無人機巡檢，并更新橋梁的巡檢數據，以便及時發現和解決問題，從而確保橋梁的安全性和可靠性。""" 5 無人機檢測與傳統檢測對比

以北環路仁壽山大橋橋檢項目為案例進行對比試驗，數據如下。

（1）所需人工與設備對比。采用傳統橋梁檢測車檢測方式，需橋檢車、通勤車及防撞緩沖車各1輛，檢測人員4人、司機3人、操作員1人及安全員4人；采用無人機橋梁檢測方式，需通勤車1輛、無人機1架、操作員2人、安全員1人。

（2）檢測成本對比。無人機占有絕對的成本優勢。在舊橋檢測時，采用傳統檢測，橋梁表觀病害較多時每天只能檢測5跨，對檢測工作效率影響較大；而無人機檢測每天可以檢測10跨，在橋梁表觀病害較多時對工作效率沒有影響。

（3）通車情況對比。傳統檢測首先需報批交通主管部門，流程繁瑣，且檢測時需半幅封閉，因此會嚴重阻礙交通并伴隨安全隱患。相較之下，無人機橋梁檢測的優越性經現場試驗對比逐漸凸顯［3］。

6 結語

本文深入探討了巡檢步驟、設備選型、病害圖像采集與智能拼接、利用CAD如何實現病害定位及無人機橋梁檢測與傳統檢測方式的對比。以北環路仁壽山大橋橋檢項目為案例，通過比較試驗，無人機技術的顯著優勢一目了然。無人機在成本、工作效率和安全性等方面表現出色，特別是在通車情況下，避免了交通干擾和安全隱患。這種比較不僅突顯了無人機技術在基礎設施檢測方面的巨大潛力，也為未來的基礎設施維護提供了新的可能性。總之，無人機橋梁檢測的引入為工程行業帶來了一次革命性的變革。

參考文獻：

［1］陳金橋.基于無人機圖像的混凝土橋梁表觀病害識別研究［D］.南京：東南大學，2020.

［2］馮源.無人機在橋梁檢測中的應用與發展［J］.居業，2017（10）：31，33.

［3］楊揚，王連發，張宇峰.無人機橋梁檢測技術進展與瓶頸問題分析［J］.現代交通技術，2020，17（4）：27-32.