基于无人机的防波堤巡检

胡健波，张飞

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

基于无人机的防波堤巡检

胡健波，张飞

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

在无人机大发展背景下，选择MD4-1000四旋翼电动无人机，以天津东疆人造沙滩北防波堤（近岸300 m斜坡式防波堤和离岸1.8 km半圆体防波堤）作为试验对象，开展基于无人机的防波堤巡检尝试。无人机沿防波堤中心线飞行并不间断垂直向下拍摄，获取大量的覆盖完全并具有一定重叠度的数码照片，继而利用摄影测量后处理软件Pix4Dmaper获取了斜坡式防波堤的二维正射影像和三维数字表面模型数据，并且在照片集中识别并测量了半圆体防波堤的变形和破损形状。基于无人机的防波堤巡检方法是一种“室外航拍，室内检测”的新巡检工作模式，不仅效率高，而且成果展现形式更加生动具体。

无人机；防波堤；摄影测量；航拍

防波堤在海港各类水工建筑物中有其特殊的地位，具有防波阻沙的功能，改善港区的水文泥沙条件。由于基础沉降、长期波浪力、以及地震、船舶碰撞等外力因素，防波堤会发生变形和破损，不断积累则会导致损毁事故的发生。防波堤定期巡检，及时发现变形和破损现象并采取应对措施，可避免问题扩大化［1］。目前的防波堤巡检方式效率较低且结果粗放，主要体现在2个方面：一是交通不便，检测人员或在防波堤上步行或乘船，步行则难检测侧面而乘船则又难检测堤顶，鱼和熊掌无法兼得；二是检测方式比较粗放，以人的目测、摄影或钢尺量测为主，检测结果以列表的方式列举各个位置存在的问题，无法展示防波堤的整体面貌，多次检测结果间可比性较差。

21世纪初，无人机逐步从军事中走出，进入民用领域，成为一种十分轻便、灵活的低空平台［2］。无人机具有灵活、经济、安全、易操作等优势，在很多民用领域都有着旺盛的需求，已经广泛应用于国土测绘［3-4］、防灾减灾［5-6］、农林［7-8］及环保［9-10］等领域。在交通领域，也有不少国内外学者尝试将无人机用于交通基础设施质量调查［11-12］和交通流监测［13］；另外，我国“十二五”海事发展目标和思路中，明确提出发展无人机海事巡航技术，用于水上救助、海洋防灾减灾，提升应急指挥能力和效率［14-16］。

在无人机发展大背景下，本文尝试将无人机应用于防波堤巡检，形成“室外航拍，室内检测”的新巡检工作模式，提高工作效率以及成果展示效果。

1 方法

选择天津东疆人造沙滩北防波堤作为试验对象（图1），使用MD4-1000型电动四旋翼无人机,沿防波堤中心线飞行并不间断垂直向下拍摄，获取大量的覆盖完全并具有一定重叠度的数码照片，在计算机上开展防波堤外形检查。该段防波堤根据结构可以分为2个部分,近岸与沙滩伴行的部分是较宽的斜坡式防波堤,上可通车,长约300 m,水上部分宽约15 m；离岸入海部分是较窄的半圆体防波堤,不可通车,长约1.8 km,水上部分宽约6 m。在近岸部分交通便捷，主要利用无人机进行航空摄影测量，获取高清正射图和三维表面模型，实现三维仿真，丰富成果的展现形式；离岸部分交通不便，主要利用无人机进行航拍，获取具有地理信息的照片，用于后续的室内目视检查，提高作业效率。

防波堤总长约2.1 km，MD4-1 000型电动无人机的最省电水平飞行速度为5 m/s，包括起降的全程飞行时间约15 min，一个飞行架次即可完成任务，加上飞行前后的准备和收尾时间不超过30 min。无人机搭载17mm镜头焦距、17.3×13 mm传感器的Olympus E⁃P2微单数码相机，获取4 032×3 024像素尺寸的数码照片,无人机垂直向下拍摄时间间隔为3 s，相邻照片间隔距离约15 m。飞行任务（航线和拍摄动作）在地面站软件中设置并导入飞行器，除了起飞和降落部分，整个过程由飞行器自主完成。无人机的飞行控制系统在控制相机拍摄的同时记录GPS定位信息，飞行任务完成后随同数码照片一并导入计算机，为航空摄影测量后处理或室内检查（变形和损坏区域）提供定位信息。

近岸300 m的无人机飞行高度约60 m，获取的照片的地面分辨率约15 mm,无人机垂直向下拍摄时间间隔为3 s，相邻照片间隔距离约15 m，照片覆盖地面的长方形区域宽度约45 m，相邻照片间重叠度约67%。获取的单航带照片利用Pix4Dmapper无人机后处理软件处理，生成带有地理信息的2D正射影像、2D数字表面模型、以及3D点云数据，也可以直接在软件中进行测量操作。

离岸的1.8 km的无人机飞行高度约30 m，获取的照片的地面分辨率约7.5 mm,无人机垂直向下拍摄时间间隔为4 s，相邻照片间隔距离约20 m，照片覆盖地面的长方形区域宽度约23 m，相邻照片间重叠度约13%。室内检查方法比较简单，先通过肉眼识别存在防波堤外形变形或者损坏现象的照片，然后利用任意一款具有量测功能的图像处理软件（例如PhotoShop等）完成裂缝长度和宽度、结构破损面积、结构件错位距离等的测量（像素数量×像素分辨率）。该方法简单易行，是在假设防波堤的海拔高度处处相等、相机镜头畸变不严重的基础之上，能够满足防波堤巡检的需要（对测量精度要求不高）。

图1MD4-1000型四旋翼无人机及天津东疆人造沙滩北防波堤Fig.1MD4-1000 quadrocopter UAV and the northern breakwater of Dongjiang Bay artificial beach in Tianjin

2 结果

利用无人机摄影测量技术，获得了斜坡式防波堤的全覆盖的二维和三维数据（图2），真实而又准确地展现了该段防波堤的实际情况（除了缺少特征点的水域）。正射图分辨率达到了约20 mm，各种地物清晰可见，如防波堤的排水孔、碎石、扭王字块、栅栏板等。数字表面模型和3D点云侧视效果，清晰地展现了半圆体防波堤的圆弧表面、整齐镂空的南侧栅栏板的阶梯形状、堤上停留的车辆、以及堤顶部遗留的渣土层及其上的车痕三维特征，这些都归功于Pix4Dmapper强大的三维重建能力；遗憾的是仅从数字表面模型上无法区分南侧的扭王字块护坡和北侧的碎石护坡，可能是三维重建过程中的对重建失败区域的插值算法抹平了扭王字块和碎石在形状上的差异。

图2斜坡式防波堤无人机摄影测量结果Fig.2Photogrammetry results of the sloping breakwater by UAV

当然，由于无人机上的GPS定位误差、飞行姿态角误差以及非专业量测相机的镜头畸变问题，以上的二维和三维数据的绝对定位精度还无法满足1：2 000的测绘成图要求。该无人机的摄影测量结果仅限于对现场的三维仿真展示以及粗略的测量，更进一步的精度需要地面控制点以及相机检校等工作同步进行。

利用无人机航拍技术，获得了完全覆盖半圆体防波堤的照片集（图3）。防波堤是弧形形状，而无人机的飞行路线是由多个节点组成的一条折线，因此无人机并非时刻处于防波堤中心线的正上方，拍摄的照片中防波堤也并非处于正中间。从照片集中可以看出，本次的无人机航拍充分考虑了这一部分的偏移以及侧风的影响，没有出现漏拍的情况。

本次检查到多处变形和破损位置，但都十分轻微，不影响其防护功能的发挥。图3中展示了3处代表案例，分别是迎波面破损、上部剥落锈蚀以及块体错位，同时还测量了破损和剥落锈蚀的面积以及错位的缝隙宽度。空中俯瞰的照片形象具体地展示了变形和破损的形状以及所在块体的部位，这是检测人员在1～2 m高处拍摄或乘船侧拍无法实现的。

图3半圆体防波堤航拍结果Fig.3Aerial photography results of the semicircular breakwater

3 讨论

基于无人机的防波堤巡检解决了交通不便的问题，效率要比步行和乘船高得多，“室外航拍，室内检测”的巡检模式更是极大地减少了外业工作时间。对于斜坡式和半圆体防波或者其他非直立式的防波堤，无人机沿中心线飞行一次垂直向下拍摄即可完成全覆盖巡检；对于直立式防波堤，可以通过一次往返飞行（沿平行于中心线的防波堤外侧飞行）倾斜拍摄即可完成堤顶和侧面的全覆盖巡检，效率上不存在因防波堤类型而异的问题。本文中半圆体防波堤的拍摄间隔较长，重叠度不够，无法得到类似斜坡式防波堤的二维和三维摄影测量数据；这主要是为了追求10 mm以内的成像分辨率，相机的持续连拍速度无法保证50%以上的重叠率，可以通过提升相机性能、降低分辨率、提高飞行高度、采用更加广角的镜头等方式解决。

除了地震、撞击等突发事件，防波堤的变形和损坏是一个随着时间逐渐发生的动态过程。基于无人机的防波堤巡检成果具有全覆盖的特点，在多次无人机巡检结果的前后比较中，可以发现变形和破损等新问题的产生以及旧问题的发展扩大，把握防波堤的动态变化过程，为防波堤变形和破损规律研究提供传统方法所无法提供的丰富的定量数据。

本次研究采用的无人机只是用于进行这一次尝试性研究，并不一定是最适宜的无人机。考虑到海边风速较高，以及更长的防波堤需要更长的续航时间，还需要在无人机的选型甚至研发上进一步深入的研究和论证，才能实现业务化运行的目的。

4 结论

基于无人机的防波堤巡检方法是一种“室外航拍，室内检测”的新巡检工作模式，不仅效率高，而且成果展现形式更加生动具体，具有替代传统防波堤巡检（仅限外观检测）的潜力。

［1］JTS310-2013,港口设施维护技术规范［S］.

［2］孙仕祺,马杰.历史与现实：无人机发展历程、现状及其所面临的挑战［J］.飞航导弹,2005（1）:14-19,39.

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On⁃site inspection of breakwater using UAV

HU Jian⁃bo,ZHANG Fei
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Under the background of booming UAV(unmanned aerial vehicle),we tried to apply UAV to on⁃site inspection of breakwater.The UAV we used is MD4⁃1000 quadrocopter UAV,while the test case breakwater is the northern breakwater of Dongjiang Bay artificial beach in Tianjin,comprised of a 300 m′s nearshore sloping breakwa⁃ter and 1.8 km′s offshore semicircular breakwater.The UAV flew along the centerline of the breakwater and continu⁃ously shoot vertically downwards,acquiring plenty of overlapped digital images covering the whole breakwater. Based on the photo gallery,2D orthophoto and 3D digital surface model of the sloping breakwater were produced with the aid of photogrammetry software Pix4Dmapper,while deformation and breakage of the semicircular breakwa⁃ter was identified and measured.UAV based on⁃site inspection of breakwater is a new operating mode(outdoor fly⁃ing and indoor inspection),proven to be more efficient and producing vivid and specific results.

UAV;breakwater;photogrammetry;aerial photography

V279；U656.3

A

1005-8443（2015）04-0355-04

2015-01-05；

2015-03-26

国家国际科技合作专项项目（2013DFA81540）

胡健波（1982-），男，浙江省宁海人，高级工程师，主要从事卫星和无人机遥感应用研究。

Biography：HU Jian⁃bo（1982-）,male,senior engineer.