无人机在公路桥梁养护检测中的应用

付振宇，郭宇鹏，郑晓林

（1.延边州公路管理处，吉林 延吉 133000；2.和龙市公路管理段，吉林 和龙 133500）

公路建设事业迅猛发展，公路里程纪录不断刷新，在提高交通出行便捷度、推动区域经济发展等方面发挥着重要作用。公路桥梁在投入使用后，需要定期开展养护检测，以保障公路桥梁的使用安全性、舒适性，最大限度地延长其使用寿命。然而，我国公路桥梁里程很长，养护检测涵盖范围广，需要配置相当数量的养护工程师实施专业桥梁检测车检测或者远距离照相检测，耗时、耗力，成本投入大。无人机技术的发展与推广为公路桥梁养护检测困局带来了新的解决思路，合理应用无人机技术已成为提高公路桥梁养护检测精准性与高效性、实现降本增效的重要路径。

1 无人机与无人机桥梁养护检测系统

无人机，即无人驾驶的飞机，诞生于20 世纪中期，前期主要用于军用领域，直至20 世纪90 年代逐渐进入民用领域，并在多个行业得到了广泛应用。无人机航测(航拍)遥感技术以无人机为空中平台，高度融合遥控技术、视频影像微波传输、卫星导航定位系统、高空拍摄、计算机影像信息处理等技术，通过无线电遥控设备精准获取地面诸多信息，并依托计算机技术加工处理成高精度的三维图像，它在快速获取高分辨率影像方面的显著优势使其成为地空地表信息遥测调查、工作效益监测等方面的重要技术手段。

无人机桥梁养护检测系统由无人机、无线遥控设备、高清摄像机、图像智能分析软件构成。首先，人工遥控无人机使其进入公路桥梁养护检测区域，然后依托无人机上配置的摄像机设备采集公路桥梁各部位信息，并传输至图像智能分析软件，经分析处理后形成高精度的三维图像，最后可通过公路养护检修软件精准识别公路桥梁是否存在病害问题，精度高达0.01mm。同时，还通过云服务存储无人机桥梁养护检测系统检测的病害图像，容量高达100 万张，还能实现100M 以上的高清图像传输。

2 无人机在公路桥梁养护检测中的应用价值

2.1 空间分辨率高，数据精准

使用无人机进行公路桥梁养护检测，控制其在低空飞行，可以结合实际需求进行垂直或倾斜成像。而且由于无人机飞行在云层高度以下，其搭载的高精度数码成像设备可以多频率、高精度地对地物采点，地面采点间隔可控制在5cm 以内，分辨率高达厘米级，因此可以获取高精度、高重叠率的影像，局部信息获取优势显著。而且还可以依托数据处理软件分类处理地物采点云数据，自动获得测定范围内的地形图、三维场景影像等，全面直观地反映公路桥梁现状，极大地提升了公路桥梁养护检测的效率。

2.2 工作效率高，连续作业能力强

无人机遥测系统对硬件配置需求较低，仅需自带摄影与无线传输设备，并提前规划好飞行线路，即可快速完成信息采集与处理，几分钟内即可获取正射镶嵌结果与DEM 结果。操作人员仅需在控制点控制无人机飞行，执行航拍任务，可在短期内快速获取大比例尺地形制图等所需的测量数据，形成高精度的航拍数据与点云数据。通常情况下，在低空飞行模式下，一架无人机自主航程在300 ～500km，在12 小时内就可以获取300km 的线状工程航空影像，不仅工作效率高，而且可以连续作业，多次反复航测。

2.3 环境适应能力强

无人机对环境有极强的适应能力，可以灵活应用于不同的测绘环境中。无人机起飞无须专用跑道，只要平地合乎规格即可，而且还能通过弹射起飞。在复杂的地质条件下，可以灵活机动转场，能够携带雷达设备穿越森林植被，获取更加精准的地表信息。此外，无人机受气候影响较小，只要风力在7 级以内，且雨量不影响拍摄精度，即可执行飞行任务，突破了温度、危险因素等因素的限制，可以完成许多载人飞机无法完成的航拍任务。

2.4 操作简单且用途广

使用无人机进行公路桥梁养护检测，操作比较简单，人员配置要求低，仅需一名操作人员即可完成检测工作，且准备周期较短，在半小时内即可完成无人机组装、调试与起飞工作。由于无人机对起降场地要求低，操作人员可以结合公路桥梁养护检测需求随时发出执行航拍任务指令，执行效率高。无人机自带自检功能，在执行任务中一旦检测到故障问题，无人机就会自动返航至起点上空，等待操作人员排查故障，提高了仪器操作的稳定性与故障的可控性，降低了无人机的操作难度。而且无人机在外业数据采集期间会自动依靠仪器自带的自动处理系统处理所采集的数据，无须专业绘图人员绘图即可获得常规正射影像图及三维建模。此外，无人机还可以结合公路桥梁养护检测需求搭载不同类型的传感器，以完成测量、调查、监测等不同的航拍任务，极大地拓宽了无人机的应用范畴。

3 无人机在公路桥梁养护检测中常用的检查方式

不同的公路桥梁在养护检测上的需求不同，在具体应用中，可以结合实际检查内容与工作量需求执行定点检查、行车同步检查等飞行辅助检查任务。

3.1 定点检查

如果公路桥梁养护检测段落较短，或者病害分布比较集中，可以采取定点检查方式，让无人机定点起降，在重点检查段落环绕飞行，有针对性地获取高精度的病害图像。首先，将检查车停在病害严重位置，并做好安全防护举措。然后，观察路基段落情况，规划无人机飞行路线。接着，组装无人机，配置云台相机、传感器等公路桥梁养护检测所需的设备，并进行设备调试。最后，操控无人机起飞，调整无人机高度与摄影设备角度，实施航拍任务，采集公路桥梁病害相关数据与图像。

3.2 行车同步检查

如果公路桥梁养护检测路段较长，或者所需检测的公路桥梁路段病害分布比较分散，则更适宜采用行车同步检查的方式，以提高公路桥梁检测的工作效率。但这种检测方式需要同时使用检查车与无人机，且需保持这两种设备的高度同频，因此实施难度更大，对无人机操作要求较高。首先，需要锁定病害起始位置，并在此停车，做好安全防护措施，并组装无人机、云台相机等设备，合理调整无人机高度与相机角度。随后，移除安全防护措施，启动车辆，使其沿着应急车道缓慢行驶，速度应控制在20km/h以内，并确保无人机与车辆同步启动、速度保持一致。然后，结合公路桥梁养护检测实际调整无人机飞行姿态，全方位采集病害状况相关数据及图像信息，结合路线外侧公里桩、百米桩标牌做好病害位置及病害状况等记录与分析。

4 无人机在公路桥梁养护检测中航拍作业流程

4.1 准备工作

在实施无人机航拍作业前，应先采集航拍区域的自然情况与地理情况，分析已有的检测成果，更加深入地掌握测区、周边区域控制点及坐标信息，并以此为依据做好无人机航线设计。只有充分掌握公路桥梁测区的地形地貌与设施情况，才能最大化地保障无人机航线设计的合理性，提高无人机飞行的安全性，同时确保公路桥梁养护检测数据的精准性与有效性。

4.2 布测相控点

在实习选点及埋石作业前，无人机操作人员应结合航拍需求收集公路桥梁测区及周边区域的地形图、各类控制点、GPS 控制点等现有资料，全方位整理与无人机航拍作业密切相关的供电、通信、气候及交通等情况。然后，结合公路桥梁养护检测任务要求，先在图纸上布测相控点，综合各项因素确定无人机起降位置，以最大化地减少高楼、水源、凹凸不平的地形等对无人机起飞及通信造成的不利影响，提高无人机飞行的安全性。

4.3 现场航拍作业

无人机在起飞抵达预定检测地段后，操作人员应加强对无人机飞行速度、高度及轨迹的观察，结合公路桥梁养护检测需求及现场实际情况调整无人机的飞行姿势、飞行高度及飞行速度等，以获取高精度、高重叠率的影像，保障航拍作业质量。在完成航拍任务后，操作人员应做好无人机返航及降落相关准备工作，确保安全伞降回收，导出航拍相关图像数据，并对无人机、设备系统情况及图像数据等进行检测和评估。值得注意的是，如果无人机在航拍过程中出现异常，应立即停止航拍任务，并操控其返航，在故障解除后，方可继续执行航拍任务，以保障无人机的航拍质量及航拍安全。

4.4 内业数据处理

在完成航拍任务后，需要借助计算机软件处理内业数据，将公路桥梁养护检测相关数据、图像等制作成三维点云图，为后续公路桥梁养护检测决策的制定提供依据。首先，要做好航拍影像资料、控制点数据、POS 数据等原始资料准备工作，确保所有资料处于完成状态，航拍影像资料达到公路桥梁养护倾斜度要求，POS 与航带变化影像数据相匹配。如果POS 数据与航带变化相片号存有误差，要手动修改，将控制点逐个刺到相片上，完成空三运算。最后，使用点云加密及Pix4Dmapper 算法计算每个像元高程值，并生成三维点云图。

5 无人机在公路桥梁养护检测中的具体应用

5.1 工程附近绿化整治

从无人机桥梁养护检测系统生成的三维点云图，可以分析公路桥梁所处的地形地势情况，观察公路桥梁绿化工程情况，有针对性地开展工程附近绿化整治。通过数据分析可以了解公路桥梁道路绿化的破坏情况，全面掌握公路桥梁及附近区域地面裸露情况，是否被植被大面积覆盖、是否存在滑坡及泥石流风险等，以联动林业部门做好相关的整治与处理，提高公路桥梁养护管理的有效性。

5.2 公路桥梁裂缝检查

公路桥梁在使用过程中经常容易出现各类裂缝，如果处理不当，就可能导致裂缝持续恶化，从而影响公路桥梁使用的安全性。将无人机应用于公路桥梁裂缝检查，可以全面检查公路桥梁外观，及时发现公路桥梁裂缝病害问题，全方位地掌握裂缝位置、程度等图像数据信息，既提升了公路桥梁养护检测效率，更能精准地为公路桥梁养护工作的开展提供依据。无人机对桥梁底部裂缝检查如图1 所示。

图1 无人机桥梁裂缝检查

5.3 对发生的滑坡及泥石流进行检测

公路桥梁在运营过程中可能会受到滑坡及泥石流等自然灾害的影响，需要及时进行清理以保障通行的安全。通过无人机航拍影像数据分析，对比滑坡点信息，可以及时检测公路桥梁附近所发生的滑坡及泥石流等情况，尽快联动相关部门采取应对举措，以及时清除安全隐患。

6 结语

总而言之，科学技术的发展为公路桥梁养护检测带来了新的发展契机，相关部门应结合公路桥梁养护检测需求，加强对无人机等先进技术的研究与应用优化，综合应用多元检测手段，以切实提升无人机技术应用实效，提高公路桥梁养护检测效率，促进公路桥梁工程实现价值最大化。