柏江源

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學院 湖南衡陽 421000)

通常情況下，橋梁在沒有達到使用年限之前就會出現(xiàn)較多病害。在配筋混凝土橋梁中，橋梁出現(xiàn)裂縫是較為常見的病害之一。因此，在橋梁的使用過程中，需要對橋梁裂縫進行及時檢測，避免安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)裂縫檢測模式需要利用橋梁檢測車，該種模式在檢測的過程中需要架設(shè)各種設(shè)備，效率較慢，且對橋梁的正常通行產(chǎn)生不利影響。利用無人飛機成像技術(shù)不僅可以較為便捷的對橋梁裂縫進行檢測，且在檢測過程中不會影響橋梁的正常通行。

1 無人飛機懸停運動特性

根據(jù)公路橋涵養(yǎng)護的相關(guān)規(guī)定，如果橋梁出現(xiàn)0.2mm的裂縫時就必須進行相關(guān)處理。無人機成像受限于其特征，通常情況下在飛行過程中產(chǎn)生的航拍圖像分辨率不能達到相關(guān)檢測要求，且無人機在飛行過程中會由于氣流波動等因素干擾最終成像質(zhì)量。因此，為了將無人機成像系統(tǒng)順利應用于橋梁裂縫檢測活動中，必須對其成像質(zhì)量和飛行穩(wěn)定性進行研究。

1.1 無人機成像系統(tǒng)運動性能測試

為了使無人機成像系統(tǒng)應用至橋梁裂縫檢測活動中，需要對成像系統(tǒng)的運動特性進行實驗。在本實驗中，筆者選用了一架八旋翼無人機進行實驗，在該無人機機身上安裝了成像系統(tǒng)。該套成像系統(tǒng)由激光測距儀、相機、云臺、減震系統(tǒng)以及飛行平臺等若干組件構(gòu)成。

在該套成像系統(tǒng)中，影響成像質(zhì)量的震動來源主要有兩方面：第一，經(jīng)由減震系統(tǒng)減震處理后剩余的震動。第二，飛行過程中氣流引起的震動和旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的震動。為了研究成像系統(tǒng)震動的控制方法以及經(jīng)由處理后是否能夠達到檢測要求，需要在該套成像系統(tǒng)的前端位置設(shè)置標記點。標記點的數(shù)量為4個，OX方向為成像系統(tǒng)拍攝方向。

圖1 成像系統(tǒng)標記點示意圖

在實驗過程中，需要利用專門攝像設(shè)備對無人機飛行過程中標記點的變化情況進行拍攝和監(jiān)測。通過攝像設(shè)備的監(jiān)測，可以測量出標記點在無人機飛行或懸停過程中的位置變化。在實驗場地選定方面，為了避免過大風速對測量結(jié)果的不利影響，選定了風速小于1m/s的空曠場地的上空。

1.2 無人機成像系統(tǒng)可行性分析

成像質(zhì)量只要指成像與真實物體之間的差異程度，差異程度越小說明成像質(zhì)量越好。在進行可行性分析的過程中，采用了掃描法中的光學傅里葉調(diào)制傳遞函數(shù)進行計算。該函數(shù)是目前用于計算和分析成像質(zhì)量最為常用的方法。該函數(shù)的具體表達公式如下所示：

在以上公式中，表示在單位快門時間內(nèi)的像移程序，N表示了與鏡頭相關(guān)的參數(shù)指標。在可行性實驗中，采用了某公司生產(chǎn)的5D Mark單反相機以及鏡頭，鏡頭參數(shù)指標為焦距24-105mm f/4 IS USM，該套成像系統(tǒng)成像的像素尺寸為5760×3240，在上述公式中，的數(shù)值在0～1之間，且該數(shù)值越趨向于1，則說明成像系統(tǒng)成像質(zhì)量越高。

在OY軸以及OZ軸方向上的成像影響情況詳述如下：成像設(shè)備的拍攝方向的為OX軸方向，因此OY軸和OZ軸在光學系統(tǒng)方向上呈對稱分布。由此，可得到以下各式：

在上列各式中，d表示為無人機停滯狀態(tài)的像的位置，d'表示無人機成像系統(tǒng)在懸停狀態(tài)的像的位置，f表示攝像設(shè)備的光學焦距，H表示拍攝設(shè)備和被拍攝對象之間的距離。D表示未產(chǎn)生振動時被拍攝對象的位置，D'表示產(chǎn)生振動后目標的位置。表示拍攝設(shè)備的線位移情況，表示在傳感器上的像移情況。計算步驟為：將OY軸方向、OZ軸方向的最大值、最小值以及平均值乘以0.1，可以計算出數(shù)值，將該值代入

表1 MTF(N)的具體數(shù)值

其后，將攝像設(shè)備參數(shù)代入

最終，獲得的具體數(shù)值。最大值、最小值以及平均值的具體數(shù)值的見表1。

2 像素解析度計算

在進行像素解析度分析時需要運用三點激光測距儀，將測距儀和快門同步測量的物距L帶入下式中，并結(jié)合透鏡的成像原理進行計算?？傻孟率剑?/p>

在該式中，L'表示像距，f表示拍攝設(shè)備的光學焦距。假定：A為被拍攝目標的真實尺寸，在橋面裂縫檢測活動中即代表橋面裂縫的寬度數(shù)值，A’設(shè)定為成像中的尺寸，可得下式：

將①帶入②中，可得下式：

在該式中，A''為拍攝設(shè)備產(chǎn)生的像素數(shù)值，d表示拍攝設(shè)備中圖像傳感器的長邊長度，D表示拍攝設(shè)備中圖像傳感器的長邊像素數(shù)值，則可得像素解析度計算公式為：

3 無人機成像在橋梁裂縫寬度識別活動中的具體應用

3.1 成像實驗

筆者利用八旋翼無人機以及配套成像設(shè)備選定了某混凝土橋梁進行了裂縫檢測實驗，實驗表明：在利用了穩(wěn)定設(shè)備并對無人機拍攝回傳圖像進行相關(guān)處理后可以滿足相關(guān)檢測標準的要求。但是在人工手持成像時可能出現(xiàn)拍攝設(shè)備抖動量較大出現(xiàn)的圖像模糊的情況，在部分情況下還會出現(xiàn)對比度較低的情況。

3.2 無人機回傳圖像處理

在無人機圖像拍攝設(shè)備獲取圖像后，需要針對圖像進行處理，以便對橋梁裂縫的準確判定。通常情況下，需要按照如下流程進行圖像處理以提取關(guān)鍵信息：第一，利用無人機設(shè)備采集橋梁裂縫圖像；第二，對無人機回傳圖像進行灰度處理，灰度處理能夠?qū)υ紙D像進行處理，改善其對比度不足的問題。第三，對圖像進行濾波增強處理；第四，進行最大熵閾值分割處理；第五，進行SVM裂縫訓練，并將裂縫進行標記和提??；最后，進行裂縫寬度的計算。

4 結(jié)語

運用無人機成像系統(tǒng)進行橋梁裂縫的檢測與識別相較于傳統(tǒng)檢測模式具有多種優(yōu)勢，其不僅可以獲得符合檢測標準的圖像，還可以減少由于橋梁檢測活動造成的交通擁堵情況。但是，其在運用的過程中也會受到遙控信號、不良天氣的影響，需要進一步克服相關(guān)難題才能更進一步提升橋梁裂縫檢測的效率和質(zhì)量。