裴俊華，謝愛(ài)萍，2，羅廣元，劉維珩

（1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園林工程學(xué)院，蘭州 730070；3.甘肅建投土木工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，蘭州 730070）

1 引言

在傳統(tǒng)的橋隧檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)人員一般要深入橋隧實(shí)地進(jìn)行勘察，通常配有橋檢車(chē)和望遠(yuǎn)鏡對(duì)橋隧病害程度進(jìn)行檢測(cè)，但這種檢測(cè)方法工作效率低，時(shí)效性差，檢測(cè)人員的安全性難以保證，檢測(cè)時(shí)會(huì)造成交通堵塞和運(yùn)營(yíng)秩序混亂，難以適應(yīng)橋隧檢測(cè)需求。隨著無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的日趨成熟，通過(guò)近景攝影獲得被檢測(cè)橋梁高分辨率的圖像，對(duì)影像進(jìn)行特征分析，得出橋梁病害結(jié)論的方法能有效提高橋隧檢測(cè)的工作效率[1]。本文應(yīng)用多視角傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，獲得高精度橋梁結(jié)構(gòu)表面數(shù)據(jù)，結(jié)合二次橋底補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維建模和精細(xì)修模，獲得高清晰度、無(wú)死角、可定位、可量測(cè)的高精度橋梁模型，在模型上完成對(duì)橋梁各項(xiàng)病害指標(biāo)的量測(cè)，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，其成果具有一定的可靠性。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)橋梁基本情況

試驗(yàn)橋梁為渭河1號(hào)大橋，橋址位于天水市麥積區(qū)，是城區(qū)南北跨渭河主通道。橋面寬12 m+2×2 m，橋梁全長(zhǎng)378.47 m，15～25 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱形梁橋，全橋共有75片箱梁，每片重55 t，荷載汽-20級(jí)，掛-100，流量6 824 m3/s，洪水頻率1/100。橋墩為單排3柱式直徑120 cm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁1985年9月建成通車(chē)，建設(shè)年代久，負(fù)荷量大，存在病害較多，是麥積區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)橋梁。

2.2 試驗(yàn)基本設(shè)備

試驗(yàn)采用無(wú)人機(jī)可上下搭載輕型多鏡頭傾斜攝影平臺(tái)，平臺(tái)搭載有垂直、前視、左視、右視、后視共5個(gè)相機(jī)，可同步獲取5個(gè)方向的航空影像，相機(jī)總像素：18 000萬(wàn)像素；最短曝光間隔：2 s；平臺(tái)工作時(shí)間：180 min；平臺(tái)總重：25 kg；姿態(tài)調(diào)整：＜0.5°；兩自由度陀螺穩(wěn)定；減震方式：兩級(jí)減震；鏡頭焦距：35/50 mm；影像分辨率：約2 cm（50 m時(shí)）。二次橋梁底面補(bǔ)測(cè)采用DJI精靈4RTK，內(nèi)業(yè)軟件用Context Capture（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CC”）進(jìn)行空三處理和三維重建，最后用DP-Modeler軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DP-M”）進(jìn)行單體化精確修模。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 技術(shù)路線

為保障飛行安全，收集測(cè)區(qū)環(huán)境條件數(shù)據(jù)，控制點(diǎn)和地形地貌等測(cè)量資料，先按照傾斜攝影的方法進(jìn)行第一次拍攝，內(nèi)業(yè)解算形成粗模，在此基礎(chǔ)上，二次進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和多視角拍攝設(shè)計(jì)，再次解算，通過(guò)修模形成高精度模型，然后在模型上進(jìn)行巡檢，量測(cè)橋梁各構(gòu)件的病害定量指標(biāo)。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.3.2 外業(yè)方法

第一次航拍按照普通傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行，通常在橋面上布設(shè)不少于10個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)標(biāo)志明確醒目，這些點(diǎn)同時(shí)可作為圖根點(diǎn)和檢查點(diǎn)，利用GPS-RTK圖根點(diǎn)測(cè)量方法完成，控制點(diǎn)精度在2 cm以?xún)?nèi)。根據(jù)測(cè)區(qū)踏勘的情況，選擇地面分辨率優(yōu)于1 cm計(jì)算，航高為50 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，預(yù)計(jì)飛行時(shí)間為10 min。第二次采用DJI精靈4RTK航拍，將鏡頭調(diào)整為最大仰角，在初次建模的基礎(chǔ)上，按設(shè)計(jì)航線對(duì)橋梁底部進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，為保障飛行安全和無(wú)死角拍攝，一般配合手動(dòng)操控，并往返飛行[2]，用激光全站儀對(duì)橋底的標(biāo)志性特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，作為橋底的像控點(diǎn)，用于建模和修模。

2.3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)GPS后處理軟件進(jìn)行差分解算，得到5個(gè)相機(jī)的精確曝光定位及天線相位中心POS信息。然后進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取影像準(zhǔn)確POS信息及相機(jī)信息。應(yīng)用CC軟件解算，導(dǎo)入影像和POS，選特征提取與匹配、控制點(diǎn)進(jìn)行空三計(jì)算，檢查精度，導(dǎo)出CC的XML文件，生成三維模型。通過(guò)DP-M軟件進(jìn)行精確修模[3]，將CC建成的三維模型格式轉(zhuǎn)換為OSG，設(shè)置基準(zhǔn)面，構(gòu)建單體化模型，對(duì)存在問(wèn)題的部分進(jìn)行編輯，紋理映射[4]，完成高清晰度全視角橋梁模型。三維重建需要高性能計(jì)算機(jī)，完成后，須檢查三維模型效果及精度。

2.3.4 橋梁病害指標(biāo)量測(cè)

根據(jù)JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)橋梁病害評(píng)定主要包括橋面系、上部結(jié)構(gòu)、橋梁構(gòu)件、部件、下部結(jié)構(gòu)和全橋評(píng)定[5]。本文主要試驗(yàn)研究橋梁上部結(jié)構(gòu)、橋梁構(gòu)件和部件表面病害指標(biāo)的量測(cè)精度，以驗(yàn)證方法的可行性。應(yīng)用橋隧檢測(cè)系統(tǒng)軟件，將模型導(dǎo)入軟件，進(jìn)行裸眼巡視，發(fā)現(xiàn)病害處，手動(dòng)添加裂縫、滲水、脫落等病害類(lèi)型，測(cè)量病害的面積、長(zhǎng)度和寬度等指標(biāo)信息，如圖2所示。最后統(tǒng)計(jì)匯總，形成報(bào)告。

圖2 病害數(shù)據(jù)采集與查詢(xún)界面

3 結(jié)果與分析

3.1 誤差分析

3.1.1 外業(yè)飛行引起的誤差及處理

傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)受設(shè)備精度、地理?xiàng)l件、方案設(shè)計(jì)等因素影響，造成航片分辨率低，POS數(shù)據(jù)質(zhì)量差，影響后續(xù)影像空三精度，進(jìn)而影響建模精度和成圖精度。為了克服以上問(wèn)題，采用RTK/PPK融合作業(yè)模式和逐相機(jī)打標(biāo)的方式，保障照片、基站數(shù)據(jù)、機(jī)載POS和機(jī)載GPS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量采集。

3.1.2 空三加密引起的誤差及處理

傾斜攝影測(cè)量后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，影像分辨率和攝影比例差異、POS數(shù)據(jù)質(zhì)量、遮擋物等因素導(dǎo)致粗差大，影響空三精度。為了提高精度，在外業(yè)建立像控點(diǎn)，將控制數(shù)據(jù)和RTK/PPK聯(lián)合空三計(jì)算，通過(guò)人工干預(yù)將空三成果精度優(yōu)化到最佳。最后，兩次飛行數(shù)據(jù)模型應(yīng)用DP-M軟件進(jìn)行精確修模，形成高精度橋梁模型。

3.1.3 模型量測(cè)產(chǎn)生的誤差及處理

用檢測(cè)軟件量測(cè)也會(huì)產(chǎn)生誤差，模型影像1個(gè)像素的誤差，實(shí)地距離約1～3 mm，即使軟件能夠自動(dòng)按照不同的面控制畫(huà)線，但視差造成矢量的不準(zhǔn)確仍然存在，需要提高操作人員采集的熟練程度，提高矢量采集成果精度。

3.2 精度分析

3.2.1 空三精度分析

檢查傾斜攝影測(cè)量的空三精度[6]，對(duì)比控制點(diǎn)和特征點(diǎn)，見(jiàn)表1。精度滿(mǎn)足要求。

表1 空三加密精度統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 病害量測(cè)精度分析

在橋隧檢測(cè)軟件中調(diào)入橋梁模型，通過(guò)縮放、拖動(dòng)等工具，手動(dòng)搜尋病害位置，按照病害類(lèi)型在模型上調(diào)查量測(cè)，獲取調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)和模型調(diào)查數(shù)據(jù)比較，誤差統(tǒng)計(jì)滿(mǎn)足調(diào)查要求，見(jiàn)表2，無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 實(shí)地檢測(cè)數(shù)和軟件模型檢測(cè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

裂縫對(duì)橋梁的危害十分嚴(yán)重，當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時(shí)就存在安全隱患，需采取維護(hù)措施，橋梁裂縫測(cè)量的精度要小于0.1 mm[7]。對(duì)模型裂縫寬長(zhǎng)度量測(cè)與實(shí)地檢測(cè)數(shù)據(jù)比較，長(zhǎng)度誤差范圍在-0.02～0.02 m，寬度誤差范圍在-0.01～0.15 mm，見(jiàn)表3。模型裂縫寬度數(shù)據(jù)存在偏大的趨勢(shì)。

表3 實(shí)地檢測(cè)和軟件模型檢測(cè)裂縫長(zhǎng)度寬度對(duì)比表

通過(guò)實(shí)地檢測(cè)和軟件模型檢測(cè)量算面積對(duì)比，見(jiàn)表4。面積誤差范圍在-0.03～0.03 m2，滿(mǎn)足病害檢測(cè)精度要求。

表4 實(shí)地檢測(cè)數(shù)和軟件模型檢測(cè)面積量測(cè)對(duì)比表

4 討論

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可完成復(fù)雜建筑物三維建模工作，但二次拍攝橋梁底面衛(wèi)星信號(hào)弱，無(wú)人機(jī)攝影有難度，規(guī)劃高度和航線需要在第一次模型基礎(chǔ)上精準(zhǔn)完成。航測(cè)時(shí)外業(yè)飛行采用RTK/PPK融合作業(yè)模式和逐相片打標(biāo)方式，提高定位精度。內(nèi)業(yè)通過(guò)空三解算、建模、修模完善建模質(zhì)量，當(dāng)橋梁底面構(gòu)造復(fù)雜時(shí)，還需要處理冗余影像，補(bǔ)拍照片貼圖，完善模型[8]，這就加大了建模難度，使得建模工作量變大。模型的質(zhì)量決定著橋梁病害檢測(cè)成果的準(zhǔn)確程度，所以建模修模是核心工作。當(dāng)模型精度能夠達(dá)到橋梁檢測(cè)技術(shù)的要求時(shí)，存在的個(gè)別誤差較大病害點(diǎn)，是人為確定區(qū)域主觀畫(huà)線而導(dǎo)致面積不準(zhǔn)確。

混凝土梁式橋在道路橋梁類(lèi)型中占比較大，其病害檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影測(cè)量技術(shù)只是對(duì)橋梁表面病害進(jìn)行檢測(cè)，存在局限性，如裂縫的深度，混凝土強(qiáng)度等無(wú)法檢測(cè)[9]。對(duì)于全橋的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，需要考慮更多的要素。建議用無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，以確定進(jìn)一步檢測(cè)的必要性和重點(diǎn)檢測(cè)的病害。其模型數(shù)據(jù)可作為橋梁周期性監(jiān)測(cè)的對(duì)比數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

通過(guò)無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)天水市麥積區(qū)渭河大橋病害進(jìn)行檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)裂縫12處，滲水3處，塌落2處，露筋1處，剝蝕3處。模型量測(cè)寬度、長(zhǎng)度、面積等數(shù)據(jù)和實(shí)地量測(cè)數(shù)據(jù)差異不大，在誤差許可范圍內(nèi)，滿(mǎn)足病害檢測(cè)要求。應(yīng)用無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影測(cè)量技術(shù)完成一項(xiàng)橋梁檢測(cè)工程，測(cè)量外業(yè)工作強(qiáng)度小，需要的人力少，儀器輕便，人員安全，能夠有效縮短項(xiàng)目周期。隨著人工智能圖形識(shí)別技術(shù)能力和精度的大幅提升，該方法能快速提升工作效率，有效保障作業(yè)人員安全，具有一定的推廣意義。