付振宇，郭宇鵬，鄭曉林

（1.延邊州公路管理處，吉林 延吉 133000；2.和龍市公路管理段，吉林 和龍 133500）

公路建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，公路里程紀錄不斷刷新，在提高交通出行便捷度、推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。公路橋梁在投入使用后，需要定期開展養(yǎng)護檢測，以保障公路橋梁的使用安全性、舒適性，最大限度地延長其使用壽命。然而，我國公路橋梁里程很長，養(yǎng)護檢測涵蓋范圍廣，需要配置相當數(shù)量的養(yǎng)護工程師實施專業(yè)橋梁檢測車檢測或者遠距離照相檢測，耗時、耗力，成本投入大。無人機技術(shù)的發(fā)展與推廣為公路橋梁養(yǎng)護檢測困局帶來了新的解決思路，合理應(yīng)用無人機技術(shù)已成為提高公路橋梁養(yǎng)護檢測精準性與高效性、實現(xiàn)降本增效的重要路徑。

1 無人機與無人機橋梁養(yǎng)護檢測系統(tǒng)

無人機，即無人駕駛的飛機，誕生于20 世紀中期，前期主要用于軍用領(lǐng)域，直至20 世紀90 年代逐漸進入民用領(lǐng)域，并在多個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。無人機航測(航拍)遙感技術(shù)以無人機為空中平臺，高度融合遙控技術(shù)、視頻影像微波傳輸、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、高空拍攝、計算機影像信息處理等技術(shù)，通過無線電遙控設(shè)備精準獲取地面諸多信息，并依托計算機技術(shù)加工處理成高精度的三維圖像，它在快速獲取高分辨率影像方面的顯著優(yōu)勢使其成為地空地表信息遙測調(diào)查、工作效益監(jiān)測等方面的重要技術(shù)手段。

無人機橋梁養(yǎng)護檢測系統(tǒng)由無人機、無線遙控設(shè)備、高清攝像機、圖像智能分析軟件構(gòu)成。首先，人工遙控?zé)o人機使其進入公路橋梁養(yǎng)護檢測區(qū)域，然后依托無人機上配置的攝像機設(shè)備采集公路橋梁各部位信息，并傳輸至圖像智能分析軟件，經(jīng)分析處理后形成高精度的三維圖像，最后可通過公路養(yǎng)護檢修軟件精準識別公路橋梁是否存在病害問題，精度高達0.01mm。同時，還通過云服務(wù)存儲無人機橋梁養(yǎng)護檢測系統(tǒng)檢測的病害圖像，容量高達100 萬張，還能實現(xiàn)100M 以上的高清圖像傳輸。

2 無人機在公路橋梁養(yǎng)護檢測中的應(yīng)用價值

2.1 空間分辨率高，數(shù)據(jù)精準

使用無人機進行公路橋梁養(yǎng)護檢測，控制其在低空飛行，可以結(jié)合實際需求進行垂直或傾斜成像。而且由于無人機飛行在云層高度以下，其搭載的高精度數(shù)碼成像設(shè)備可以多頻率、高精度地對地物采點，地面采點間隔可控制在5cm 以內(nèi)，分辨率高達厘米級，因此可以獲取高精度、高重疊率的影像，局部信息獲取優(yōu)勢顯著。而且還可以依托數(shù)據(jù)處理軟件分類處理地物采點云數(shù)據(jù)，自動獲得測定范圍內(nèi)的地形圖、三維場景影像等，全面直觀地反映公路橋梁現(xiàn)狀，極大地提升了公路橋梁養(yǎng)護檢測的效率。

2.2 工作效率高，連續(xù)作業(yè)能力強

無人機遙測系統(tǒng)對硬件配置需求較低，僅需自帶攝影與無線傳輸設(shè)備，并提前規(guī)劃好飛行線路，即可快速完成信息采集與處理，幾分鐘內(nèi)即可獲取正射鑲嵌結(jié)果與DEM 結(jié)果。操作人員僅需在控制點控制無人機飛行，執(zhí)行航拍任務(wù)，可在短期內(nèi)快速獲取大比例尺地形制圖等所需的測量數(shù)據(jù)，形成高精度的航拍數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)。通常情況下，在低空飛行模式下，一架無人機自主航程在300 ～500km，在12 小時內(nèi)就可以獲取300km 的線狀工程航空影像，不僅工作效率高，而且可以連續(xù)作業(yè)，多次反復(fù)航測。

2.3 環(huán)境適應(yīng)能力強

無人機對環(huán)境有極強的適應(yīng)能力，可以靈活應(yīng)用于不同的測繪環(huán)境中。無人機起飛無須專用跑道，只要平地合乎規(guī)格即可，而且還能通過彈射起飛。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，可以靈活機動轉(zhuǎn)場，能夠攜帶雷達設(shè)備穿越森林植被，獲取更加精準的地表信息。此外，無人機受氣候影響較小，只要風(fēng)力在7 級以內(nèi)，且雨量不影響拍攝精度，即可執(zhí)行飛行任務(wù)，突破了溫度、危險因素等因素的限制，可以完成許多載人飛機無法完成的航拍任務(wù)。

2.4 操作簡單且用途廣

使用無人機進行公路橋梁養(yǎng)護檢測，操作比較簡單，人員配置要求低，僅需一名操作人員即可完成檢測工作，且準備周期較短，在半小時內(nèi)即可完成無人機組裝、調(diào)試與起飛工作。由于無人機對起降場地要求低，操作人員可以結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護檢測需求隨時發(fā)出執(zhí)行航拍任務(wù)指令，執(zhí)行效率高。無人機自帶自檢功能，在執(zhí)行任務(wù)中一旦檢測到故障問題，無人機就會自動返航至起點上空，等待操作人員排查故障，提高了儀器操作的穩(wěn)定性與故障的可控性，降低了無人機的操作難度。而且無人機在外業(yè)數(shù)據(jù)采集期間會自動依靠儀器自帶的自動處理系統(tǒng)處理所采集的數(shù)據(jù)，無須專業(yè)繪圖人員繪圖即可獲得常規(guī)正射影像圖及三維建模。此外，無人機還可以結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護檢測需求搭載不同類型的傳感器，以完成測量、調(diào)查、監(jiān)測等不同的航拍任務(wù)，極大地拓寬了無人機的應(yīng)用范疇。

3 無人機在公路橋梁養(yǎng)護檢測中常用的檢查方式

不同的公路橋梁在養(yǎng)護檢測上的需求不同，在具體應(yīng)用中，可以結(jié)合實際檢查內(nèi)容與工作量需求執(zhí)行定點檢查、行車同步檢查等飛行輔助檢查任務(wù)。

3.1 定點檢查

如果公路橋梁養(yǎng)護檢測段落較短，或者病害分布比較集中，可以采取定點檢查方式，讓無人機定點起降，在重點檢查段落環(huán)繞飛行，有針對性地獲取高精度的病害圖像。首先，將檢查車停在病害嚴重位置，并做好安全防護舉措。然后，觀察路基段落情況，規(guī)劃無人機飛行路線。接著，組裝無人機，配置云臺相機、傳感器等公路橋梁養(yǎng)護檢測所需的設(shè)備，并進行設(shè)備調(diào)試。最后，操控?zé)o人機起飛，調(diào)整無人機高度與攝影設(shè)備角度，實施航拍任務(wù)，采集公路橋梁病害相關(guān)數(shù)據(jù)與圖像。

3.2 行車同步檢查

如果公路橋梁養(yǎng)護檢測路段較長，或者所需檢測的公路橋梁路段病害分布比較分散，則更適宜采用行車同步檢查的方式，以提高公路橋梁檢測的工作效率。但這種檢測方式需要同時使用檢查車與無人機，且需保持這兩種設(shè)備的高度同頻，因此實施難度更大，對無人機操作要求較高。首先，需要鎖定病害起始位置，并在此停車，做好安全防護措施，并組裝無人機、云臺相機等設(shè)備，合理調(diào)整無人機高度與相機角度。隨后，移除安全防護措施，啟動車輛，使其沿著應(yīng)急車道緩慢行駛，速度應(yīng)控制在20km/h以內(nèi)，并確保無人機與車輛同步啟動、速度保持一致。然后，結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護檢測實際調(diào)整無人機飛行姿態(tài)，全方位采集病害狀況相關(guān)數(shù)據(jù)及圖像信息，結(jié)合路線外側(cè)公里樁、百米樁標牌做好病害位置及病害狀況等記錄與分析。

4 無人機在公路橋梁養(yǎng)護檢測中航拍作業(yè)流程

4.1 準備工作

在實施無人機航拍作業(yè)前，應(yīng)先采集航拍區(qū)域的自然情況與地理情況，分析已有的檢測成果，更加深入地掌握測區(qū)、周邊區(qū)域控制點及坐標信息，并以此為依據(jù)做好無人機航線設(shè)計。只有充分掌握公路橋梁測區(qū)的地形地貌與設(shè)施情況，才能最大化地保障無人機航線設(shè)計的合理性，提高無人機飛行的安全性，同時確保公路橋梁養(yǎng)護檢測數(shù)據(jù)的精準性與有效性。

4.2 布測相控點

在實習(xí)選點及埋石作業(yè)前，無人機操作人員應(yīng)結(jié)合航拍需求收集公路橋梁測區(qū)及周邊區(qū)域的地形圖、各類控制點、GPS 控制點等現(xiàn)有資料，全方位整理與無人機航拍作業(yè)密切相關(guān)的供電、通信、氣候及交通等情況。然后，結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護檢測任務(wù)要求，先在圖紙上布測相控點，綜合各項因素確定無人機起降位置，以最大化地減少高樓、水源、凹凸不平的地形等對無人機起飛及通信造成的不利影響，提高無人機飛行的安全性。

4.3 現(xiàn)場航拍作業(yè)

無人機在起飛抵達預(yù)定檢測地段后，操作人員應(yīng)加強對無人機飛行速度、高度及軌跡的觀察，結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護檢測需求及現(xiàn)場實際情況調(diào)整無人機的飛行姿勢、飛行高度及飛行速度等，以獲取高精度、高重疊率的影像，保障航拍作業(yè)質(zhì)量。在完成航拍任務(wù)后，操作人員應(yīng)做好無人機返航及降落相關(guān)準備工作，確保安全傘降回收，導(dǎo)出航拍相關(guān)圖像數(shù)據(jù)，并對無人機、設(shè)備系統(tǒng)情況及圖像數(shù)據(jù)等進行檢測和評估。值得注意的是，如果無人機在航拍過程中出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止航拍任務(wù)，并操控其返航，在故障解除后，方可繼續(xù)執(zhí)行航拍任務(wù)，以保障無人機的航拍質(zhì)量及航拍安全。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在完成航拍任務(wù)后，需要借助計算機軟件處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，將公路橋梁養(yǎng)護檢測相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像等制作成三維點云圖，為后續(xù)公路橋梁養(yǎng)護檢測決策的制定提供依據(jù)。首先，要做好航拍影像資料、控制點數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)等原始資料準備工作，確保所有資料處于完成狀態(tài)，航拍影像資料達到公路橋梁養(yǎng)護傾斜度要求，POS 與航帶變化影像數(shù)據(jù)相匹配。如果POS 數(shù)據(jù)與航帶變化相片號存有誤差，要手動修改，將控制點逐個刺到相片上，完成空三運算。最后，使用點云加密及Pix4Dmapper 算法計算每個像元高程值，并生成三維點云圖。

5 無人機在公路橋梁養(yǎng)護檢測中的具體應(yīng)用

5.1 工程附近綠化整治

從無人機橋梁養(yǎng)護檢測系統(tǒng)生成的三維點云圖，可以分析公路橋梁所處的地形地勢情況，觀察公路橋梁綠化工程情況，有針對性地開展工程附近綠化整治。通過數(shù)據(jù)分析可以了解公路橋梁道路綠化的破壞情況，全面掌握公路橋梁及附近區(qū)域地面裸露情況，是否被植被大面積覆蓋、是否存在滑坡及泥石流風(fēng)險等，以聯(lián)動林業(yè)部門做好相關(guān)的整治與處理，提高公路橋梁養(yǎng)護管理的有效性。

5.2 公路橋梁裂縫檢查

公路橋梁在使用過程中經(jīng)常容易出現(xiàn)各類裂縫，如果處理不當，就可能導(dǎo)致裂縫持續(xù)惡化，從而影響公路橋梁使用的安全性。將無人機應(yīng)用于公路橋梁裂縫檢查，可以全面檢查公路橋梁外觀，及時發(fā)現(xiàn)公路橋梁裂縫病害問題，全方位地掌握裂縫位置、程度等圖像數(shù)據(jù)信息，既提升了公路橋梁養(yǎng)護檢測效率，更能精準地為公路橋梁養(yǎng)護工作的開展提供依據(jù)。無人機對橋梁底部裂縫檢查如圖1 所示。

圖1 無人機橋梁裂縫檢查

5.3 對發(fā)生的滑坡及泥石流進行檢測

公路橋梁在運營過程中可能會受到滑坡及泥石流等自然災(zāi)害的影響，需要及時進行清理以保障通行的安全。通過無人機航拍影像數(shù)據(jù)分析，對比滑坡點信息，可以及時檢測公路橋梁附近所發(fā)生的滑坡及泥石流等情況，盡快聯(lián)動相關(guān)部門采取應(yīng)對舉措，以及時清除安全隱患。

6 結(jié)語

總而言之，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為公路橋梁養(yǎng)護檢測帶來了新的發(fā)展契機，相關(guān)部門應(yīng)結(jié)合公路橋梁養(yǎng)護檢測需求，加強對無人機等先進技術(shù)的研究與應(yīng)用優(yōu)化，綜合應(yīng)用多元檢測手段，以切實提升無人機技術(shù)應(yīng)用實效，提高公路橋梁養(yǎng)護檢測效率，促進公路橋梁工程實現(xiàn)價值最大化。