李 欣,林 婧,侯澤群,梁柱國(guó)

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;3.廣西昭揚(yáng)科技有限公司,廣西 桂林 541004)

0 引言

山區(qū)地形復(fù)雜多變,地面高差起伏大,路線跨越溝壑較多,故橋梁設(shè)計(jì)多采用高墩大跨的結(jié)構(gòu)形式。橋梁在運(yùn)營(yíng)期內(nèi),需要進(jìn)行周期性的檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)頻率和目標(biāo)不同,分為經(jīng)常性檢測(cè)、定期性檢測(cè)和特殊性檢測(cè)。當(dāng)前橋梁檢測(cè)手段仍以目測(cè)為主,要求檢測(cè)人員必須到達(dá)橋梁的各個(gè)待檢部位。對(duì)于平原和丘陵地區(qū)的一般橋梁來(lái)說(shuō),檢測(cè)人員借助橋梁檢測(cè)車(chē)、梯子和支架等工具,即可方便地抵達(dá)橋梁的各個(gè)待檢部位。但對(duì)于以高墩大跨結(jié)構(gòu)為主的山區(qū)公路橋梁來(lái)說(shuō),存在以下困難:(1)高墩結(jié)構(gòu)、涉水區(qū)段、大跨拱橋拱腳等存在一定的檢測(cè)盲區(qū),檢測(cè)人員難以到達(dá);(2)危險(xiǎn)系數(shù)比較大,給檢測(cè)人員帶來(lái)人身風(fēng)險(xiǎn),如橋檢車(chē)掛籃斷裂等事故;(3)檢測(cè)效率低,檢測(cè)準(zhǔn)備工作耗費(fèi)大量時(shí)間;(4)以目測(cè)為主要手段、以專業(yè)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法不能滿足山區(qū)橋梁檢測(cè)的需要。

截至2020年底,我國(guó)公路橋梁總數(shù)達(dá)到91.28萬(wàn)座,檢測(cè)工作量極其巨大。為滿足現(xiàn)有橋梁的檢測(cè)養(yǎng)護(hù)需要,也亟須開(kāi)發(fā)一些快速、便捷和高效的橋梁檢測(cè)新方法、新手段。

近年來(lái),隨著航空攝影技術(shù)的發(fā)展和無(wú)人機(jī)的普及,無(wú)人機(jī)航空攝影在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用受到橋梁養(yǎng)護(hù)部門(mén)的廣泛關(guān)注[1]。因此,研究無(wú)人機(jī)航空攝影在山區(qū)橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用,具有重要的工程意義。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影的應(yīng)用

1.1 無(wú)人機(jī)的配置

橋梁檢測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包含飛行器、云臺(tái)、相機(jī)、飛控系統(tǒng)、紅外測(cè)距系統(tǒng)和補(bǔ)光系統(tǒng)。飛行器采用大疆精靈Phantom 4 RTK多旋翼無(wú)人機(jī);云臺(tái)選擇DJI禪思Z-15云臺(tái),角度抖動(dòng)量控制在±0.01°范圍內(nèi);相機(jī)采用瑞鉑公司的RIY-D2M五鏡頭相機(jī)和索尼A8微單相機(jī);飛控系統(tǒng)采用DJI A3-Pro,其內(nèi)置GPS+北斗或者GPS+GLO-NASS組合定位;紅外測(cè)距系統(tǒng)采用與相機(jī)同步觸發(fā)的激光測(cè)距儀;補(bǔ)光系統(tǒng)采用補(bǔ)光燈。

1.2 基于BIM模型的航線規(guī)劃

無(wú)人機(jī)的操控可采用人工遙控或者自動(dòng)巡航。與無(wú)人機(jī)航空測(cè)量不同,橋梁檢測(cè)需要無(wú)人機(jī)圍繞橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行貼近拍攝。如果采用人工遙控拍攝,則需要無(wú)人機(jī)一直在操作人員視線范圍內(nèi)飛行,尤其是無(wú)人機(jī)在橋下穿行時(shí),既難以操作,也容易炸機(jī),風(fēng)險(xiǎn)較高[2-3]。本文采取的方案是通過(guò)BIM模型或三維實(shí)景模型,規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航拍攝。

對(duì)于既有橋梁,如果有現(xiàn)成的BIM模型(公路橋梁常采用Bentley公司旗下的Power Civil、Bridge Master、ProStructure等軟件建模),則該模型已包含橋梁工程的全壽命周期內(nèi)的信息,如設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)和維護(hù)信息。如果沒(méi)有現(xiàn)成的BIM模型,可采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影生成一個(gè)三維實(shí)景模型。具體方法是先對(duì)橋梁進(jìn)行遠(yuǎn)距離航拍,獲取大量圖像,然后采用Bentley公司的ConceptCapture軟件,依次通過(guò)讀取每張照片的相對(duì)位置和方向、校準(zhǔn)所有圖像、自動(dòng)三維重建和紋理映射等步驟,建立一般精度的三維實(shí)景模型。與建模軟件構(gòu)建的BIM模型相比,實(shí)景模型不包含橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)體信息,但更加真實(shí)。上述兩種模型均可用于無(wú)人機(jī)檢測(cè)航線規(guī)劃。

混凝土表面裂縫寬度通常在0.1～2.0 mm。為保證裂縫等輕微病害清晰成像,圖像必須有足夠高的像素精度。無(wú)人機(jī)巡檢距離(即無(wú)人機(jī)與待檢橋梁的距離)和鏡頭焦距是直接影響成像清晰度的關(guān)鍵參數(shù)。巡檢距離近,像素精度高,但安全風(fēng)險(xiǎn)高;巡檢距離遠(yuǎn),安全風(fēng)險(xiǎn)低,但像素精度低。焦距過(guò)大會(huì)影響采集效率,過(guò)小會(huì)導(dǎo)致圖像精度不足。一般來(lái)說(shuō),巡檢距離為5～20 m時(shí),圖像清晰度較好,可識(shí)別裂縫[4]。

根據(jù)橋梁檢測(cè)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行要求的不同,將橋梁的檢測(cè)任務(wù)分為三部分:(1)橋面鋪裝、伸縮縫、護(hù)欄和錐坡等構(gòu)件的檢測(cè);(2)墩臺(tái)和梁底等構(gòu)件的檢測(cè);(3)支座、支座墊石和拱腳等構(gòu)件的檢測(cè)。

對(duì)于第一部分,可參照一般的航空測(cè)量無(wú)人機(jī),采用五視傾斜攝影的方式,同時(shí)拍攝橋梁構(gòu)件范圍內(nèi)的前視、后視、左視、右視和下視高清照片,從多角度拍攝病害照片,按照照片的航向重疊度和旁向重疊度在25%以上的要求,規(guī)劃航線,并同步記錄對(duì)應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)。參考現(xiàn)有技術(shù)成果[5-6],考慮交通安全,巡航距離取10～15 m。

對(duì)于第二部分,梁底病害往往能反映橋梁的承載能力劣化,屬于橋梁檢測(cè)的重點(diǎn)部分。航拍無(wú)人機(jī)定位采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合技術(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)以較高精度巡航。但將無(wú)人機(jī)用于梁底檢測(cè)和墩臺(tái)檢測(cè)時(shí),衛(wèi)星信號(hào)會(huì)受到橋梁上部結(jié)構(gòu)遮擋,導(dǎo)致飛控系統(tǒng)失靈,目前尚無(wú)合理的解決辦法。經(jīng)過(guò)多座橋梁試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在橋梁兩側(cè)開(kāi)闊、沒(méi)有高山阻擋的情形下,無(wú)人機(jī)在梁底以下15 m通過(guò)時(shí),可接收導(dǎo)航信號(hào),能完成梁底的檢測(cè)。另外考慮到飛行安全,需要無(wú)人機(jī)與水面或河床保持10m距離。因此,對(duì)于墩高>25 m的橋梁可采用無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航檢測(cè)梁底和墩身。對(duì)于墩高<25 m的橋梁,如采用無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航拍攝,巡航距離取15 m,則檢測(cè)過(guò)程中飛機(jī)距河床或水面距離不足10 m,容易受到橋下樹(shù)木等干擾,安全不易保證,故建議采用人工遙控?zé)o人機(jī)進(jìn)行航拍。

對(duì)于第三部分,只能人工遙控?zé)o人機(jī),逐個(gè)拍攝支座、支座墊石和拱腳等構(gòu)件的照片,并對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)。

1.3 航空攝影圖像的拼接

由于巡檢距離較小,一張圖片往往不能反映一個(gè)構(gòu)件的一個(gè)投影面。為識(shí)別出完整的病害,并確定病害的準(zhǔn)確位置與尺寸,宜將多張?jiān)紙D像拼接,形成完整大圖。借鑒測(cè)量無(wú)人機(jī)圖像拼接參數(shù),經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,航向重疊率取25%,旁向重疊率取25%,可將原始圖像準(zhǔn)確拼接成完整大圖。

在機(jī)載計(jì)算機(jī)控制軟件中設(shè)置相機(jī)等距離采集圖像數(shù)據(jù),同時(shí)將無(wú)人機(jī)拍攝時(shí)的位置坐標(biāo)、巡航距離、相機(jī)云臺(tái)角度、鏡頭焦距等數(shù)據(jù)同步保存至圖像屬性信息中。采用Bentley公司的ConceptCapture軟件,從照片基本信息中讀取上述信息,完成圖像拼接。

1.4 病害特征的提取

混凝土結(jié)構(gòu)表面病害主要分為裂縫、蜂窩麻面、塊狀破損和露筋銹蝕等。其中裂縫是橋梁工程最常見(jiàn)的病害。裂縫特征包括裂縫起始點(diǎn)、走向和寬度。病害特征提取主要采用經(jīng)典圖像處理技術(shù)和基于人工智能的圖像處理技術(shù)。經(jīng)典圖像處理技術(shù)主要有基于灰度閾值分割、邊緣檢測(cè)和結(jié)合特定工具等方法,可在光線均勻且沒(méi)有噪聲污染的情況下,完整地提取裂縫邊緣,獲取裂縫的特征[7]。隨著人工智能的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的提升,基于深度學(xué)習(xí)的病害識(shí)別是當(dāng)前研究熱點(diǎn)[8-9]。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裂縫識(shí)別算法,能夠取得較高的精度,但在實(shí)際工程中的識(shí)別效果仍需進(jìn)行驗(yàn)證[10-11]。所以,目前在山區(qū)橋梁檢測(cè)中,一般采用李剛等[12]提出的遠(yuǎn)距離混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面裂縫精確提取算法,屬于傳統(tǒng)的基于灰度閾值分割的方法。照片合成后,依次通過(guò)裂縫區(qū)域截取、圖像區(qū)域增強(qiáng)、圖像分割、孤立噪聲點(diǎn)去除、裂縫標(biāo)記和寬度計(jì)算等步驟依序完成裂縫特征提取,在巡檢距離為15 m的情形下,可識(shí)別0.1 mm寬的裂縫,絕對(duì)誤差<0.05 mm。

2 工程應(yīng)用

以桂三高速公路某大橋?yàn)樵囼?yàn)檢測(cè)目標(biāo),該橋型為9～30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,鋼筋混凝土矩形墩,埋置式橋臺(tái),鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面全長(zhǎng)270 m,橋墩最高處為32.5 m。本次檢測(cè)主要對(duì)橋梁的橋面鋪裝、梁體和橋墩進(jìn)行檢測(cè),不包括支座及支座墊石。整個(gè)無(wú)人機(jī)航拍攝影橋梁檢測(cè)過(guò)程分為5個(gè)步驟,分別是無(wú)人機(jī)航拍攝影、三維實(shí)景模型建立、航線定制、飛行航拍和結(jié)果分析。檢測(cè)發(fā)現(xiàn):橋梁的梁底裂縫有4條,長(zhǎng)度分別為1.5 m、2.2 m、1.6 m和2.0 m,最大寬度分別為0.22 mm、0.20 mm、0.18 mm和0.20 mm,均位于小箱梁底板;混凝土剝落1處,面積為0.4 m2。無(wú)人機(jī)檢測(cè)完成后,人工對(duì)該橋裂縫長(zhǎng)度與寬度進(jìn)行復(fù)檢,并與無(wú)人機(jī)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),裂縫長(zhǎng)度絕對(duì)誤差在10 cm以內(nèi),寬度分別為0.23 mm、0.22 mm、0.15 mm和0.18 mm,絕對(duì)誤差<0.05 mm。

與傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法相比,航空攝影橋梁檢測(cè)不需要中斷交通,可方便地拍攝橋梁的待檢部位,降低了檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)和檢測(cè)成本。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)山區(qū)橋梁檢測(cè)手段的局限性和客觀存在的困難,將無(wú)人機(jī)航空攝影用于山區(qū)橋梁的檢測(cè),顯示出極高的效率和精度,極大地減少了常規(guī)檢測(cè)手段存在的檢測(cè)死角和盲區(qū),降低了事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和檢測(cè)費(fèi)用。但目前也存在技術(shù)瓶頸,如橋下無(wú)人機(jī)定位問(wèn)題,制約了無(wú)人機(jī)在一般橋梁檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用。