史有玉,邓 凌,杨紫艳,马龙博
(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150036)
1 概述
1.1 研究背景
为了延长桥梁寿命，提高桥梁安全性，对桥梁检测方法和技术的研究必不可少。桥面的裂缝、拱起、坑洞、剥落及梁体裂缝等是桥梁检测的重要内容。传统的检测方法基于人工视觉检测，辅助搭建脚手架，挂篮，或者使用专门的桥梁检测车，人力物力财力耗费较大，检测效率低，还会妨碍交通运营。在此背景下，随着无人机技术的发展，将无人机应用于桥梁外观检测，对桥梁各部位进行数据采集，利用数字图像处理技术和深度学习方法等人工智能技术，进行分析处理，可以有效提高桥梁外观检测水平，降低检测成本，提高检测效率。
1.2 研究目的及意义
消除桥梁外观检测传统方法的弊端，利用无人机采集图片及数据，再进行图像识别及分析处理，高效、准确地反映桥梁外观的真实状态。
1.3 创新点
无人机采集图像后，通过计算机图像识别系统高效准确处理图像，准确对桥梁裂缝、凸起等病害识别和测量。
2 无人机桥梁检测的现状及前景
2.1 桥梁检测现状
随着我国科技不断进步，对公共设施建设的规模渐渐扩张，各方面的建筑工程都有很大的进步，尤其是桥梁建筑，桥梁数量增多的同时也需要对其进行定期保养。据相关数据统计，目前需要进行维护和保养的桥梁已经占我国已建成桥梁总数的40%左右[1]。如果没有进行定期检测维护保养，不利于延长桥梁的使用寿命，有病害不能及时解决，严重时导致桥梁坍塌，后果不堪设想。故为了维护桥梁寿命，保证桥梁安全，对桥梁检测的方法及技术的研究和创新极为重要。
桥梁检测主要是检查和评估桥梁的外观和结构。其外观检测传统方式要用肉眼观察以及依靠桥梁检测车、三脚架、望远镜登高车、桥塔检修吊台等辅助工具。对于桥梁病害的检测还会用到光学裂缝测宽仪、裂缝卡片等专业仪器。随着科技的进步和发展，渐渐使用无人机、机器人等进行检测。
2.2 无人机应用现状及前景
无人机技术最早出现于1914年的第一次世界大战中，随着人们对其认识的增加，对无人机技术的开发也是越来越精深，应用范围也是越来越广、愈加细致。无人机在工程监理中应用广泛，代替人工巡检，省时省力，且无人机小型轻便，可以从空中巡视施工盲区、死角等人力不及之处，直观反映施工动态，为项目提供更高效、直观的决策信息，有效促进了项目现场管理。
国内在利用无人机进行桥体的外观检测已取得重大突破，对桥梁外观检测是桥梁检测的重要组成部分，着重检测桥梁病害及其具体位置，并检测桥梁外表的蜂窝、孔洞、掉角、剥落和裂缝等病害面积占总面积的比重，利用图像提取系统和基于图像处理技术的病害检测程序，并根据图片呈现的信息，结合GPS、飞行轨迹和照片时序等信息确定病害的实际位置，计算出图像中每像素对应的实际长度，从而得出病害的实际缺陷面积或长度，且这种理论方法已经成功地运用于实践，对于裂缝十分细微，仅凭肉眼观察难以发现，在常规检测中很容易被忽略的情况，采用基于图像处理技术的桥梁外观病害检测算法，能有效检测出来。通过现场无人机数据采集后, 将图像等数据下载, 利用视频和图像处理软件, 分析并确定发生病害的具体位置和病害尺寸等[2]。
2.3 无人机检测桥梁的优点
1)检测桥梁高效。无人机可以直接检测到难以到达的预期位置并且可以重复多次采样关键细节，且检测时间比手动检测要短得多。
2)安全性高。不需要搭架等大型设备去检测桥座、桥腹等危险部位，检测人员的安全得到了保障。无人机搭载高清相机，提高桥梁细节部位检测的精确性。
3)检测成本低。节约人力物力，无需中断交通，不会对桥梁周边环境产生影响。
2.4 无人机检测桥梁的缺点
1)对使用无人机的人员要求较高，需要对无人机操作有一定专业性。
2)无人机避障技术需要一定提升，偶尔会受到环境影响如GPS信号缺失等问题。
3)对后期图像识别技术要求高，需要优化桥梁图像分析的算法并探索利用神经网络识别、分析数字图像的可行性。
3 传统桥梁检测问题
1)传统的桥梁检测方式很难直接检测到预期位置，而需要借助一些辅助措施，操作十分困难。首先，对于某些危险场所如桥座、桥腹等，传统方式对于人员都有一定的安全隐患；考虑到地形限制，涉水高空桥梁的传统检测，安全性也极低。其次，有些桥梁具有特殊的结构例如悬索桥、大跨、高墩桥梁、斜拉桥以及拱桥的斜拉桥钢索、桥梁底部、高塔柱顶等部位进行检测时，存在检测盲区，在视线能力之外，而传统的检测必须搭架或吊篮进行检测，方法十分局限，效率也非常低。
2)传统桥梁检测都为人工检测，通常使用肉眼直接观察，主观性会影响观测结果，或者使用桥梁检查车、双筒望远镜、裂缝观测仪等工具去检测桥梁是否有裂缝、开裂破损、氧化腐蚀等病害。然而对于轻微病害，当桥梁出现轻微损伤甚至在阴暗处时，无法近距离观察，细节常常会被忽略，检测精度不高，效率太低。另外，传统的桥梁检测裂缝通过敲击或者听声来辨别，无法精确到病害具体位置，存在很大的局限性。
3)传统桥梁检测以人工为主体，每个人工的技术、能力存在差异，在检测的途中，人工有一定的风险，无论是时间还是精力，都得不偿失。首先，在进行桥梁检测时需要封闭道路，中断交通，对周边群众、城市造成影响。检测时间长，耗费人力物力，安全性也极低。其次，传统检测占用时间较长，容易受天气影响。
4 解决对策
4.1 无人机全方位巡航解决桥梁检测盲区问题
传统桥梁检测方式主要是利用桥梁检测车、登高梯等简单检测平台和桥底检修通道进行检测，不管是何种检测平台，都只能检测到桥面、一定高度的桥上构件、通道范围内的桥底。如果利用无人机进行全方位巡航，将大大减少桥梁检测盲区范围。
无人机的传感器系统可实现无人机按照事先预设路线进行巡航，传感器系统由加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、GPS等高精度设备组成[3]，保障无人机按规划巡航、飞行过程中进行姿态调整以及防止撞击外物，可行性高且安全稳定。无人机按照指定路线巡航，可在近桥面，桥梁上部一定高度比如桥梁拉索位置，桥底部例如桥墩、桥腹、桥底座等位置巡航作业，从上到下全方位，由近及远全范围进行桥梁照片拍摄和视频录制(见图1)。
不仅是在桥梁上空、桥梁两侧、道路上部、斜杆四周初步勘察，无人机在全方位巡航中可以近距离作业拍摄细部病害位置，比如检查螺栓有无松动、钢结构涂层是否缺陷和锈蚀、焊缝是否开裂、桥面是否有裂缝和坑槽、是否需要修补等。
4.2 无人机结合数字图像处理技术解决桥梁检测精度问题
在传统桥梁检测中，对于裂缝等病害通常采用肉眼观察或者人工辅助测量仪器进行测量，不仅精度不高而且人工作业难度大，诸多因素影响检测结果。本研究将无人机传回的照片应用图像识别技术，实现自动识别桥梁病害种类，确定病害的精确位置，测量裂缝宽度等诸多功能，精度高误差小。
首先对无人机采集到的桥梁病害的数字图像，进行灰度转换、锐化、边缘检测、去噪、直方图修正等处理[4]，得到增强效果良好的图像，完成图像预处理。
然后利用卷积神经网络，设计科学、高效的图像识别算法，完成裂缝的识别及裂缝宽度测量，实现桥梁裂缝的自动识别与检测，显著提高桥梁检测的精度与效率。
4.3 无人机作业解决传统桥梁检测的时间限制和人工限制
传统桥梁检测只能在适宜条件下进行人工作业，应用无人机则可以突破这些限制。无人机设置定时巡航进行桥梁检测，形成固定周期巡检，可以及时发现桥梁问题，减少桥梁封闭检查时间。无人机搭配计算机系统，只需要少量人员进行无人机操作和后期桥梁结果分析，大大减少桥梁检测的工作量[5]。
5 结论
由以上分析可知，即使传统桥梁检测有许多难点弊端，但无人机检测方式的应用使其问题迎刃而解。无人机检测不仅可解决检测盲区的问题，降低危险性，提高效率，更解决了传统桥梁检测的人力物力问题。无人机结合数字图像处理技术，大大提高了桥梁检测精度。
6 展望
设想未来深入的研究可以实现无人机从地面起飞后在区域内向不同方向飞行自动寻找桥梁位置进行巡航检测，由此可以形成一种多无人机全区域桥梁检测系统，完成检测后将自动寻找下一个待检测目标，无需工作人员到达桥梁地点并进行设备迁移，使用更加快捷高效。
