胡健波，張飛

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

基于無(wú)人機(jī)的防波堤巡檢

胡健波，張飛

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

在無(wú)人機(jī)大發(fā)展背景下，選擇MD4-1000四旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)，以天津東疆人造沙灘北防波堤（近岸300 m斜坡式防波堤和離岸1.8 km半圓體防波堤）作為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展基于無(wú)人機(jī)的防波堤巡檢嘗試。無(wú)人機(jī)沿防波堤中心線飛行并不間斷垂直向下拍攝，獲取大量的覆蓋完全并具有一定重疊度的數(shù)碼照片，繼而利用攝影測(cè)量后處理軟件Pix4Dmaper獲取了斜坡式防波堤的二維正射影像和三維數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)，并且在照片集中識(shí)別并測(cè)量了半圓體防波堤的變形和破損形狀?；跓o(wú)人機(jī)的防波堤巡檢方法是一種“室外航拍，室內(nèi)檢測(cè)”的新巡檢工作模式，不僅效率高，而且成果展現(xiàn)形式更加生動(dòng)具體。

無(wú)人機(jī)；防波堤；攝影測(cè)量；航拍

防波堤在海港各類水工建筑物中有其特殊的地位，具有防波阻沙的功能，改善港區(qū)的水文泥沙條件。由于基礎(chǔ)沉降、長(zhǎng)期波浪力、以及地震、船舶碰撞等外力因素，防波堤會(huì)發(fā)生變形和破損，不斷積累則會(huì)導(dǎo)致?lián)p毀事故的發(fā)生。防波堤定期巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變形和破損現(xiàn)象并采取應(yīng)對(duì)措施，可避免問(wèn)題擴(kuò)大化［1］。目前的防波堤巡檢方式效率較低且結(jié)果粗放，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是交通不便，檢測(cè)人員或在防波堤上步行或乘船，步行則難檢測(cè)側(cè)面而乘船則又難檢測(cè)堤頂，魚(yú)和熊掌無(wú)法兼得；二是檢測(cè)方式比較粗放，以人的目測(cè)、攝影或鋼尺量測(cè)為主，檢測(cè)結(jié)果以列表的方式列舉各個(gè)位置存在的問(wèn)題，無(wú)法展示防波堤的整體面貌，多次檢測(cè)結(jié)果間可比性較差。

21世紀(jì)初，無(wú)人機(jī)逐步從軍事中走出，進(jìn)入民用領(lǐng)域，成為一種十分輕便、靈活的低空平臺(tái)［2］。無(wú)人機(jī)具有靈活、經(jīng)濟(jì)、安全、易操作等優(yōu)勢(shì)，在很多民用領(lǐng)域都有著旺盛的需求，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)土測(cè)繪［3-4］、防災(zāi)減災(zāi)［5-6］、農(nóng)林［7-8］及環(huán)保［9-10］等領(lǐng)域。在交通領(lǐng)域，也有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將無(wú)人機(jī)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量調(diào)查［11-12］和交通流監(jiān)測(cè)［13］；另外，我國(guó)“十二五”海事發(fā)展目標(biāo)和思路中，明確提出發(fā)展無(wú)人機(jī)海事巡航技術(shù)，用于水上救助、海洋防災(zāi)減災(zāi)，提升應(yīng)急指揮能力和效率［14-16］。

在無(wú)人機(jī)發(fā)展大背景下，本文嘗試將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于防波堤巡檢，形成“室外航拍，室內(nèi)檢測(cè)”的新巡檢工作模式，提高工作效率以及成果展示效果。

1 方法

選擇天津東疆人造沙灘北防波堤作為試驗(yàn)對(duì)象（圖1），使用MD4-1000型電動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī),沿防波堤中心線飛行并不間斷垂直向下拍攝，獲取大量的覆蓋完全并具有一定重疊度的數(shù)碼照片，在計(jì)算機(jī)上開(kāi)展防波堤外形檢查。該段防波堤根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為2個(gè)部分,近岸與沙灘伴行的部分是較寬的斜坡式防波堤,上可通車,長(zhǎng)約300 m,水上部分寬約15 m；離岸入海部分是較窄的半圓體防波堤,不可通車,長(zhǎng)約1.8 km,水上部分寬約6 m。在近岸部分交通便捷，主要利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量，獲取高清正射圖和三維表面模型，實(shí)現(xiàn)三維仿真，豐富成果的展現(xiàn)形式；離岸部分交通不便，主要利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，獲取具有地理信息的照片，用于后續(xù)的室內(nèi)目視檢查，提高作業(yè)效率。

防波堤總長(zhǎng)約2.1 km，MD4-1 000型電動(dòng)無(wú)人機(jī)的最省電水平飛行速度為5 m/s，包括起降的全程飛行時(shí)間約15 min，一個(gè)飛行架次即可完成任務(wù)，加上飛行前后的準(zhǔn)備和收尾時(shí)間不超過(guò)30 min。無(wú)人機(jī)搭載17mm鏡頭焦距、17.3×13 mm傳感器的Olympus E?P2微單數(shù)碼相機(jī)，獲取4 032×3 024像素尺寸的數(shù)碼照片,無(wú)人機(jī)垂直向下拍攝時(shí)間間隔為3 s，相鄰照片間隔距離約15 m。飛行任務(wù)（航線和拍攝動(dòng)作）在地面站軟件中設(shè)置并導(dǎo)入飛行器，除了起飛和降落部分，整個(gè)過(guò)程由飛行器自主完成。無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)在控制相機(jī)拍攝的同時(shí)記錄GPS定位信息，飛行任務(wù)完成后隨同數(shù)碼照片一并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，為航空攝影測(cè)量后處理或室內(nèi)檢查（變形和損壞區(qū)域）提供定位信息。

近岸300 m的無(wú)人機(jī)飛行高度約60 m，獲取的照片的地面分辨率約15 mm,無(wú)人機(jī)垂直向下拍攝時(shí)間間隔為3 s，相鄰照片間隔距離約15 m，照片覆蓋地面的長(zhǎng)方形區(qū)域?qū)挾燃s45 m，相鄰照片間重疊度約67%。獲取的單航帶照片利用Pix4Dmapper無(wú)人機(jī)后處理軟件處理，生成帶有地理信息的2D正射影像、2D數(shù)字表面模型、以及3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可以直接在軟件中進(jìn)行測(cè)量操作。

離岸的1.8 km的無(wú)人機(jī)飛行高度約30 m，獲取的照片的地面分辨率約7.5 mm,無(wú)人機(jī)垂直向下拍攝時(shí)間間隔為4 s，相鄰照片間隔距離約20 m，照片覆蓋地面的長(zhǎng)方形區(qū)域?qū)挾燃s23 m，相鄰照片間重疊度約13%。室內(nèi)檢查方法比較簡(jiǎn)單，先通過(guò)肉眼識(shí)別存在防波堤外形變形或者損壞現(xiàn)象的照片，然后利用任意一款具有量測(cè)功能的圖像處理軟件（例如PhotoShop等）完成裂縫長(zhǎng)度和寬度、結(jié)構(gòu)破損面積、結(jié)構(gòu)件錯(cuò)位距離等的測(cè)量（像素?cái)?shù)量×像素分辨率）。該方法簡(jiǎn)單易行，是在假設(shè)防波堤的海拔高度處處相等、相機(jī)鏡頭畸變不嚴(yán)重的基礎(chǔ)之上，能夠滿足防波堤巡檢的需要（對(duì)測(cè)量精度要求不高）。

圖1MD4-1000型四旋翼無(wú)人機(jī)及天津東疆人造沙灘北防波堤Fig.1MD4-1000 quadrocopter UAV and the northern breakwater of Dongjiang Bay artificial beach in Tianjin

2 結(jié)果

利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，獲得了斜坡式防波堤的全覆蓋的二維和三維數(shù)據(jù)（圖2），真實(shí)而又準(zhǔn)確地展現(xiàn)了該段防波堤的實(shí)際情況（除了缺少特征點(diǎn)的水域）。正射圖分辨率達(dá)到了約20 mm，各種地物清晰可見(jiàn)，如防波堤的排水孔、碎石、扭王字塊、柵欄板等。數(shù)字表面模型和3D點(diǎn)云側(cè)視效果，清晰地展現(xiàn)了半圓體防波堤的圓弧表面、整齊鏤空的南側(cè)柵欄板的階梯形狀、堤上停留的車輛、以及堤頂部遺留的渣土層及其上的車痕三維特征，這些都?xì)w功于Pix4Dmapper強(qiáng)大的三維重建能力；遺憾的是僅從數(shù)字表面模型上無(wú)法區(qū)分南側(cè)的扭王字塊護(hù)坡和北側(cè)的碎石護(hù)坡，可能是三維重建過(guò)程中的對(duì)重建失敗區(qū)域的插值算法抹平了扭王字塊和碎石在形狀上的差異。

圖2斜坡式防波堤無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量結(jié)果Fig.2Photogrammetry results of the sloping breakwater by UAV

當(dāng)然，由于無(wú)人機(jī)上的GPS定位誤差、飛行姿態(tài)角誤差以及非專業(yè)量測(cè)相機(jī)的鏡頭畸變問(wèn)題，以上的二維和三維數(shù)據(jù)的絕對(duì)定位精度還無(wú)法滿足1：2 000的測(cè)繪成圖要求。該無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量結(jié)果僅限于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的三維仿真展示以及粗略的測(cè)量，更進(jìn)一步的精度需要地面控制點(diǎn)以及相機(jī)檢校等工作同步進(jìn)行。

利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，獲得了完全覆蓋半圓體防波堤的照片集（圖3）。防波堤是弧形形狀，而無(wú)人機(jī)的飛行路線是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的一條折線，因此無(wú)人機(jī)并非時(shí)刻處于防波堤中心線的正上方，拍攝的照片中防波堤也并非處于正中間。從照片集中可以看出，本次的無(wú)人機(jī)航拍充分考慮了這一部分的偏移以及側(cè)風(fēng)的影響，沒(méi)有出現(xiàn)漏拍的情況。

本次檢查到多處變形和破損位置，但都十分輕微，不影響其防護(hù)功能的發(fā)揮。圖3中展示了3處代表案例，分別是迎波面破損、上部剝落銹蝕以及塊體錯(cuò)位，同時(shí)還測(cè)量了破損和剝落銹蝕的面積以及錯(cuò)位的縫隙寬度?？罩懈╊恼掌蜗缶唧w地展示了變形和破損的形狀以及所在塊體的部位，這是檢測(cè)人員在1～2 m高處拍攝或乘船側(cè)拍無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖3半圓體防波堤航拍結(jié)果Fig.3Aerial photography results of the semicircular breakwater

3 討論

基于無(wú)人機(jī)的防波堤巡檢解決了交通不便的問(wèn)題，效率要比步行和乘船高得多，“室外航拍，室內(nèi)檢測(cè)”的巡檢模式更是極大地減少了外業(yè)工作時(shí)間。對(duì)于斜坡式和半圓體防波或者其他非直立式的防波堤，無(wú)人機(jī)沿中心線飛行一次垂直向下拍攝即可完成全覆蓋巡檢；對(duì)于直立式防波堤，可以通過(guò)一次往返飛行（沿平行于中心線的防波堤外側(cè)飛行）傾斜拍攝即可完成堤頂和側(cè)面的全覆蓋巡檢，效率上不存在因防波堤類型而異的問(wèn)題。本文中半圓體防波堤的拍攝間隔較長(zhǎng)，重疊度不夠，無(wú)法得到類似斜坡式防波堤的二維和三維攝影測(cè)量數(shù)據(jù)；這主要是為了追求10 mm以內(nèi)的成像分辨率，相機(jī)的持續(xù)連拍速度無(wú)法保證50%以上的重疊率，可以通過(guò)提升相機(jī)性能、降低分辨率、提高飛行高度、采用更加廣角的鏡頭等方式解決。

除了地震、撞擊等突發(fā)事件，防波堤的變形和損壞是一個(gè)隨著時(shí)間逐漸發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程。基于無(wú)人機(jī)的防波堤巡檢成果具有全覆蓋的特點(diǎn)，在多次無(wú)人機(jī)巡檢結(jié)果的前后比較中，可以發(fā)現(xiàn)變形和破損等新問(wèn)題的產(chǎn)生以及舊問(wèn)題的發(fā)展擴(kuò)大，把握防波堤的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為防波堤變形和破損規(guī)律研究提供傳統(tǒng)方法所無(wú)法提供的豐富的定量數(shù)據(jù)。

本次研究采用的無(wú)人機(jī)只是用于進(jìn)行這一次嘗試性研究，并不一定是最適宜的無(wú)人機(jī)?？紤]到海邊風(fēng)速較高，以及更長(zhǎng)的防波堤需要更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，還需要在無(wú)人機(jī)的選型甚至研發(fā)上進(jìn)一步深入的研究和論證，才能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的目的。

4 結(jié)論

基于無(wú)人機(jī)的防波堤巡檢方法是一種“室外航拍，室內(nèi)檢測(cè)”的新巡檢工作模式，不僅效率高，而且成果展現(xiàn)形式更加生動(dòng)具體，具有替代傳統(tǒng)防波堤巡檢（僅限外觀檢測(cè)）的潛力。

［1］JTS310-2013,港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

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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

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2013DFA81540）

胡健波（1982-），男，浙江省寧海人，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用研究。

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