无人机在桥梁检测中的应用研究

朱彬彬

（苏州市相城检测股份有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

桥梁长期受到自然环境和运输荷载的影响，不可避免地出现裂缝、锈蚀、材料疲劳等隐蔽缺陷，对桥梁的安全性和可靠性构成严重威胁。然而，传统的桥梁检测方法，如人工巡检和地面测量，均受到时间和空间限制，存在一定的作业风险，且施工安全成本较高。因此，寻找一种高效、准确和安全的桥梁检测方法极为重要，而无人机技术的快速发展为桥梁检测提供了新的解决思路和方案。

1 无人机技术的概述和特点

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV）指的是一种没有人类驾驶员搭乘的飞行器，无人机技术则是指利用航空器无人驾驶系统（Unmanned Aerial System，简称 UAS）进行各种任务和应用的技术，包含飞行器设计、航空电子技术、遥控和无线通信技术、传感器和图像处理技术等多个领域[1]。可以通过遥控或预先设置的飞行计划对无人机进行控制和导航，执行各种任务和应用。根据机身形状和飞行原理的不同，无人机可分为多种类型，如多旋翼无人机、固定翼无人机、混合动力无人机等。

无人机技术的核心是无人驾驶系统（UAS），其包括无人机本身、地面站以及相关的数据链路和控制系统，其中地面站可以进行飞行控制、任务规划和遥感数据处理等操作，也是与无人机进行通信和控制的中心；数据链路则负责无线传输无人机获取的图像、数据和指令。

此外，除了飞行器的设计和制造，无人机技术还涉及各种应用和任务的开发与实施，可应用于农业、物流运输、环境监测、搜索救援、航拍摄影、桥梁检测、科学研究等多个领域，并通过搭载各种传感器和设备，获取各种数据和图像，为决策制定和问题解决提供支持，具有广泛的应用前景。

2 无人机在桥梁检测中的应用价值

2.1 节省人力物力，增强检测安全性

首先，传统的桥梁检测通常需要检测人员攀爬或悬挂在高空进行检测，存在一定的人身安全风险，可能发生受伤或坠落。无人机搭载的高分辨率摄像头可以提供桥梁全景视角的照片和视频，便于检测人员更全面、更清晰地观察和评估桥梁的状态。针对高大且难以接触的桥梁部位，无人机可以提供更加直观和详细的信息。

其次，传统的检测通常需要使用大量的设备和工具，如攀爬装备、绳索等，无人机则是一种相对轻便的设备，只需一名操作人员和相应的控制设备即可完成检测任务，可有效减少检测所需的物资和设备，从而降低成本。

2.2 提高检测的效率和水平

第一，无人机配备高清摄像头，还可以搭载各种先进的传感器和设备，如红外相机、激光扫描仪等，可以在较短的时间内对桥梁进行全面的拍摄和记录，这些图像和数据可以提供更全面的信息，帮助工程师或专家了解桥梁的实际情况，相比传统的人工检查方式，无人机可以更加快速准确地获取桥梁的图像和数据，显著提高了工作效率。

第二，无人机可以覆盖更大范围的桥梁区域，人工检测通常受到时间和人力的限制，难以覆盖大范围的检测区域，无人机则可以通过航迹规划和自动飞行功能，覆盖整个桥梁结构，并对各个区域进行详细检测，以确保没有遗漏的区域，并提高检测的覆盖率和准确性。

第三，无人机还可以通过无线传输将数据实时传回指挥中心，并与其他数据进行整合，如地理信息系统（GIS）数据、历史记录等，通过将各种数据进行整合，可以更全面地了解桥梁的情况，识别潜在的问题和风险，帮助决策者进行有效的管理和维护，并采取相应的维护和修复措施[2]。

3 无人机在桥梁检测中的实践应用措施

3.1 结构检测

首先，可利用无人机进行空中航拍，以其高分辨率相机和摄像头对桥梁的外观进行检测，获取高质量的照片和视频，帮助工程师全面了解桥梁的状况，包括结构缺陷、腐蚀、裂缝等问题，并自动采集桥梁的定量数据，如长度、宽度、高度等，用于建立桥梁的数字模型，方便进行后续的分析和评估，如图1 所示无人机对某桥梁航拍进行检测。同时，利用无人机搭载的红外热成像相机，对桥梁结构进行热成像检测，并通过捕捉桥梁结构的热量分布情况，发现潜在的热点区域，识别隐蔽的结构问题。

图1 某桥梁无人机航拍

其次，无人机一般还配有激光扫描仪，可对桥梁的三维数据采集和建模，激光扫描还能够精确捕捉桥梁的几何形状和结构细节，帮助工程师评估桥梁的状态和损伤程度。

最后，无人机还可以搭载振动传感器，用于监测桥梁的振动情况，通过分析振动数据，可以评估桥梁的结构稳定性和动态响应，发现潜在的结构问题。同时，收集桥梁周围的环境和气象数据，如湿度、温度等，用于评估桥梁的耐候性和长期暴露下的结构健康状况，确保桥梁的安全和可靠[3]。

3.2 定期巡检

第一，在桥梁检测的全生命周期中，可预先设置无人机的飞行计划，进行定期巡检任务，飞行计划包括巡检线路、飞行高度和速度等参数，确保无人机按照设定的轨迹自动进行巡检，并以无人机所配备的高分辨率相机和摄像头，在巡检过程中获取桥梁的图像和视频，以检查桥梁表面的缺陷、裂缝、腐蚀等问题，及时发现潜在的结构问题。

第二，对于传感器获取的数据，可以进行数据分析和处理，便于工程师使用图像识别和计算机视觉技术，对桥梁图像和数据进行处理和分析，识别潜在的结构问题和损伤情况，并通过实时数据传输系统，将图像和数据传输到地面控制中心，实时监控桥梁的状态，及时发现潜在的结构问题或危险，及时采取措施进行修复或维护。

第三，在无人机定期巡检的过程中，还可以利用遥控技术进行远程操作，调整其飞行轨迹和参数，以全面覆盖桥梁和高效巡检，并自动记录获取的图像、视频和传感器数据，生成详细的巡检报告，用于桥梁的历史记录和维护计划，同时作为决策支持和问题解决的参考。

第四，无人机巡检可以与其他技术和系统进行网络化协同，例如，无人机的数据可以与桥梁结构的数字模型和监测系统进行融合，以提高整体检测和监测效率，或与维修机械人员进行协同操作，以更好地应对所发现的问题，最大程度地保证桥梁的安全性，延长桥梁的使用寿命。

3.3 桥梁表面缺陷检测

桥梁表面缺陷检测是指通过分析桥梁表面的图像和数据，检测和识别可能存在的裂缝、腐蚀、损伤等问题。

首先，利用无人机所搭载的高分辨率相机，以及图像处理技术和计算机视觉算法，可对桥梁图像进行分析和处理，用于缺陷识别，常用的处理方法包括边缘检测、色彩分析、纹理分析等，可以有效增强缺陷的可见性。同时，在图像处理的基础上，可通过特征提取方法，筛选和提取与缺陷相关的特征，包括形状、颜色、纹理、灰度值等，用于建立缺陷的特征向量，并与预先建立的缺陷数据库进行对比。

其次，利用物联网技术在无人机中输入相应的数据和算法，对桥梁图像进行分类和识别，常用的机器学习算法包括支持向量机（SVM）、随机森林（Random Forest）、深度学习神经网络等，并通过分析桥梁正常状态和不同缺陷类型的特征，从而准确识别并分类缺陷[4]。

最后，在无人机识别缺陷过程中，还可以通过物联网技术进行实时数据传输，便于工程师实时监测缺陷的识别过程，并生成相关的报告，包含缺陷的位置、大小、状况等详细信息，为后续的维护和修复工作提供重要参考。

3.4 桥梁的隐蔽缺陷检测

除了表面缺陷外，桥梁还可能存在隐蔽缺陷，如果没有进行及时检测，可能导致结构失效、坍塌等严重事故，威胁公众生命财产安全。

第一，使用无人机的红外热成像技术进行检测，桥梁的隐蔽缺陷会导致局部热量的异常分布，通过检测温度差异，可以发现潜在的问题区域；或利用无人机搭载的磁粉检测设备，在桥梁表面进行磁粉探伤，其主要通过在缺陷区域施加磁场，利用磁粉颗粒的吸附现象来检测桥梁中隐蔽的裂纹和缺陷。

第二，可在无人机上搭载超声波探测设备，超声波可以穿透材料，检测隐蔽处的裂缝、空洞等问题，对桥梁内部进行超声波探测，并利用物联网技术将数据实时传回地面，便于分析和评估。

第三，可在无人机上搭载激光扫描仪，对桥梁进行激光扫描，从而生成高精度的三维点云数据，通过分析点云数据，检测桥梁的细微形变、裂缝等隐蔽缺陷。

第四，可利用传感器设备和物联网技术，集成桥梁结构的健康监测系统，如在无人机上搭载加速度计、应变计等传感器，实时采集桥梁的振动、应变等数据，通过分析这些数据，判断桥梁的结构健康状况，并检测隐蔽的结构缺陷，保证桥梁的安全性和稳定性，延长桥梁的使用寿命。

3.5 桥梁动力学检测

桥梁是承载车辆和行人负重的重要结构，长时间使用和承受外部荷载可能导致结构的疲劳、变形和损坏，定期进行动力学检测可帮助管理人员及时发现结构的异常振动和位移，为后续的维护和修复提供数据依据。另外，动力学检测还可以辅助评估桥梁的结构安全性和稳定性，通过对桥梁的振动频率、自然频率、模态形态等参数进行分析，可以充分了解结构的固有特性，从而进行结构健康评估，预防和解决潜在的结构问题，并通过实时监测和分析，确定结构的负荷承载能力，判断是否需要采取进一步的检测措施或进行维修工作。

在利用无人机进行动力学检测时，可为无人机搭载加速度计和惯性导航系统，实时获取桥梁的振动和位移数据，用于测量结构振动频率、振型以及预测结构的自然频率等，并通过飞行模式和高度的调整，选择不同的监测点位，以全面监测整个桥梁的动力学响应，包括主桥梁梁段、支座、连接处等关键部位，通过这些数据的采集和分析，及时获取桥梁的动态响应信息，评估结构的健康状况。

此外，无人机搭载的加速度计和惯性导航系统还可以获取桥梁在不同时间点的振动模态，并通过数据处理和分析得出频率、幅度、相位等参数，其对于识别桥梁异常振动、模态变化和结构变形而言至关重要[5]。基于无人机收集的动力学数据，可以建立并验证动态响应数值模型，并通过数学模拟和预测来评估桥梁的疲劳状况和结构健康程度，从而确定维护计划和维修措施，保障桥梁的长期安全运行。

4 结语

综上所述，在桥梁检过程中，为了提高检测的准确性和科学性，可积极利用无人机高空飞行、灵活操控、功能齐全等特点，对桥梁进行更加全面、快速、准确的检测，包括动力学检测、表面缺陷检测以及隐蔽缺陷的检测。未来，应进一步加强无人机技术的研究，如在无人机中搭载全球导航卫星系统（GNSS）和惯性导航系统（INS），实现精确的定位和测量，并结合遥感技术，实现高精度的三维重建和形变分析，为桥梁结构的安全评估提供准确数据。