无人机航测技术在大坝裂缝检测中的应用研究*

唐忠海，陈章傑，刘书婷，廖渝，李欣艺，李滟浩，袁士才

（长江师范学院，重庆 408100）

我国水资源分布不均，存在“东多西少、南多北少”的格局，同时受季风气候影响，水涝、干旱等灾害十分严重。2010 年底，中共中央、国务院颁布了《关于加快水利改革发展的决定》，提出加强农田水利等薄弱环节建设、全面加快水利基础设施建设等一系列措施。其中，大坝修建是水利基础设施建设的重要一环，在水力发电电力、农业灌溉、生活饮水、防洪抗旱等方面发挥着十分重要的作用。

根据中国大坝工程学会2017 年底的统计数据，中国坝高在15 m 以上的大坝有3.8 万座。坝体在服役过程中不仅要承受各种荷载及突发性灾害作用，还要承受环境侵蚀，导致安全性能随着时间推移而逐步衰退[1]。目前，高坝大库运行安全状况总体良好，小型水库安全问题仍是我国水库大坝安全管理的难点和薄弱环节[2]。

根据统计，1954—2018 年我国溃坝成因主要包含漫顶、质量问题、管理不当等方面[3]。因此，加强大坝安全管理，排除其安全隐患，保障安全运行，关系到社会公共安全，意义重大。

1 大坝裂缝检测研究现状

大坝安全监测主要包含巡视检查、环境量监测、大坝表面和内部水平位移及垂直位移监测、渗流监测、应力应变和温度监测等[4]。大坝病害一般先出现在大坝表面，以裂缝最为常见。传统的大坝裂缝检测方法是搭建脚手架平台或者悬挂吊篮，采用人工实地带着裂缝宽度测定仪、超声波混凝土裂缝检测仪等设备进行检测，该方法安全风险较高且费时费力。

随着机器视觉和数字图像技术的发展，非接触式监测技术手段应用越加广泛。盛金保等[5]基于混凝土微裂缝选择性热激励理论，发明了热激励混凝土微裂缝识别设备，可遥控检查混凝土微裂缝。谭界雄等[6]采用水下机器人进行坝体水下面板检查，发现一处错台裂缝，查明了大坝渗漏的主要原因。王丽[7]基于数字图像技术，提出了基于樽海鞘群优化的图像分割算法，对大坝裂缝图像检测具有重要意义。梅智[8]结合机器视觉方法和无人机技术，开发了基于无人机图像的裂缝拼接-检测软件，在工程应用中取得了较好的结果。魏思航等[9]通过无人机对结构表面拍照，并应用图像识别算法，识别裂缝等缺陷特征，解决了人工检测困难的问题。可见，图像识别的基础是图像获取技术，大坝正面图像很难用传统相机进行拍摄，但是无人机航测技术的发展，其便捷的操控性和搭载设备的可拓展性为图像获取提供了更加实用的手段。

2 航测实验

重庆某水库拦河坝为钢筋砼面板堆石坝，坝顶长度为202.0 m，最大坝高为59.6 m，总库容为1 280 万m3，属年调节水库，其面板出现纵横向裂缝，需进一步查明裂缝发育情况。依托此项目，利用无人机航测技术开展具体实验。

2.1 实验规划

首先，进入项目现场，查看地形及周边情况，检查无人机电量及设置，并进行飞行前的准备工作；其次，实地布设像控点，建立飞行任务并规划航线，根据情况进行手动补拍；最后，将外业成果导入相应软件进行处理，建立三维模型，提取所需信息数据。实验技术路线见图1。

图1 实验技术路线图

2.2 数据获取

飞行前，布设像控点，点位布设尽量在面板检修平台靠近并覆盖坝体区域，利用全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）设备精确测量点位坐标。为建立坝体区域三维模型，并提高测量精度。外业航测规划见图2。首先，用DJ GS Pro 进行航线规划，飞机根据设置航线自主飞行；其次，航线测完后，降低飞机高度进行手动补拍，补拍要保重充足的重叠度，以获取更加精确的坝面现状；最后，检查像片成果是否存在清晰度问题、丢片问题。

图2 外业航测规划示意图

2.3 数据处理

为建立大坝三维模型，本次采用了综合性能较好的ContextCapture 软件，经过新建工程、导入数据、空中三角测量解算、重建项目等一些列流程，最终分别生产了OSGB 格式以及3mx 格式数据。其中，3mx 格式数据可直接用Acute3D Viewer 软件打开，查看模型具体情况。图3 为坝体模型示意图。OSGB 格式则可利用其他软件进行转换，进行下一环节的成果处理。

图3 坝体模型示意图

为将模型中裂缝具体位置提取出来，本次实验采用了北京清华山维新技术开发有限公司开发的EPS 地理信息工作站软件进行成果处理。首先，新建项目，在“三维测图”菜单栏中进行OSGB 格式转换，路径选择Data 文件夹，元数据选择mxl 格式文件，最终在Data 文件夹内生成Data.Dsm 文件。其次，加载本地倾斜模型，选择前面生成的Data.Dsm 文件，即可在右侧视图窗口中显示出所建模型，其空间坐标与像控点坐标系相同。最后，根据模型信息进行绘图，绘图成果会显示在左侧视图窗口，见图4 为绘图过程示意图。

图4 绘图过程示意图

3 成果分析

在EPS 地理信息工作站软件的绘图过程中，可将裂缝编号信息与坝体面板编号信息一一对应；绘图完成后，可将Cass10 数据格式文件输出为dwg格式文件，导出图纸；将导出图纸用南方Cass 测图软件打开，得到坝体裂缝位置示意图（见图5）。

图5 坝体裂缝位置示意图

根据坝体裂缝位置示意图，可提取裂缝长度以及首、尾或关键节点的空间坐标信息（特别是起始坐标和终止坐标），并建立裂缝信息数据库，其主要内容见第65 页表1。

表1 裂缝信息数据库的主要内容

根据建立的裂缝信息数据库，对其中的关键裂缝，再分别利用裂缝宽度检测仪、裂缝深度检测仪进行实地的裂缝信息采集，使大坝检测更加有针对性。同时，建立裂缝信息数据库可以有效地进行多期裂缝信息对比，实现裂缝发育状态评估，对于大坝安全预判分析极为重要，因此，该研究的技术应用是可行的。

4 结束语

我国西南地区地面河流资源丰富，水库坝和水电坝众多，运营管理中的定期监测是确保大坝安全运行的前提保障。

本文依托大坝监测项目，利用消费型无人机开展航测实验，完成大坝三维模型的建立，并提取了裂缝的部分信息，实现裂缝信息空间坐标的提取，建立裂缝信息数据库，为实地测量裂缝宽度、裂缝深度提供了具体的目标定位，也为今后进一步分析和评估裂缝发育状态提供前期研究数据。

但实验还存在一些不足之处，例如如何进一步提高实验精度、如何进行图像识别自动提取、如何非接触或非人现场获取裂缝宽度数据和裂缝深度数据等，由于人工现场测量裂缝有一定的安全风险，因此今后将继续开展研究，提升无人机航测图像的精度，探索机器人裂缝测量仪的研究与开发，提升大坝监测项目的安全性。