柏江源

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南衡陽 421000)

通常情況下，橋梁在沒有達(dá)到使用年限之前就會(huì)出現(xiàn)較多病害。在配筋混凝土橋梁中，橋梁出現(xiàn)裂縫是較為常見的病害之一。因此，在橋梁的使用過程中，需要對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，避免安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)裂縫檢測(cè)模式需要利用橋梁檢測(cè)車，該種模式在檢測(cè)的過程中需要架設(shè)各種設(shè)備，效率較慢，且對(duì)橋梁的正常通行產(chǎn)生不利影響。利用無人飛機(jī)成像技術(shù)不僅可以較為便捷的對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行檢測(cè)，且在檢測(cè)過程中不會(huì)影響橋梁的正常通行。

1 無人飛機(jī)懸停運(yùn)動(dòng)特性

根據(jù)公路橋涵養(yǎng)護(hù)的相關(guān)規(guī)定，如果橋梁出現(xiàn)0.2mm的裂縫時(shí)就必須進(jìn)行相關(guān)處理。無人機(jī)成像受限于其特征，通常情況下在飛行過程中產(chǎn)生的航拍圖像分辨率不能達(dá)到相關(guān)檢測(cè)要求，且無人機(jī)在飛行過程中會(huì)由于氣流波動(dòng)等因素干擾最終成像質(zhì)量。因此，為了將無人機(jī)成像系統(tǒng)順利應(yīng)用于橋梁裂縫檢測(cè)活動(dòng)中，必須對(duì)其成像質(zhì)量和飛行穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1.1 無人機(jī)成像系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試

為了使無人機(jī)成像系統(tǒng)應(yīng)用至橋梁裂縫檢測(cè)活動(dòng)中，需要對(duì)成像系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中，筆者選用了一架八旋翼無人機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在該無人機(jī)機(jī)身上安裝了成像系統(tǒng)。該套成像系統(tǒng)由激光測(cè)距儀、相機(jī)、云臺(tái)、減震系統(tǒng)以及飛行平臺(tái)等若干組件構(gòu)成。

在該套成像系統(tǒng)中，影響成像質(zhì)量的震動(dòng)來源主要有兩方面：第一，經(jīng)由減震系統(tǒng)減震處理后剩余的震動(dòng)。第二，飛行過程中氣流引起的震動(dòng)和旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的震動(dòng)。為了研究成像系統(tǒng)震動(dòng)的控制方法以及經(jīng)由處理后是否能夠達(dá)到檢測(cè)要求，需要在該套成像系統(tǒng)的前端位置設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量為4個(gè)，OX方向?yàn)槌上裣到y(tǒng)拍攝方向。

圖1 成像系統(tǒng)標(biāo)記點(diǎn)示意圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，需要利用專門攝像設(shè)備對(duì)無人機(jī)飛行過程中標(biāo)記點(diǎn)的變化情況進(jìn)行拍攝和監(jiān)測(cè)。通過攝像設(shè)備的監(jiān)測(cè)，可以測(cè)量出標(biāo)記點(diǎn)在無人機(jī)飛行或懸停過程中的位置變化。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選定方面，為了避免過大風(fēng)速對(duì)測(cè)量結(jié)果的不利影響，選定了風(fēng)速小于1m/s的空曠場(chǎng)地的上空。

1.2 無人機(jī)成像系統(tǒng)可行性分析

成像質(zhì)量只要指成像與真實(shí)物體之間的差異程度，差異程度越小說明成像質(zhì)量越好。在進(jìn)行可行性分析的過程中，采用了掃描法中的光學(xué)傅里葉調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該函數(shù)是目前用于計(jì)算和分析成像質(zhì)量最為常用的方法。該函數(shù)的具體表達(dá)公式如下所示：

在以上公式中，表示在單位快門時(shí)間內(nèi)的像移程序，N表示了與鏡頭相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)。在可行性實(shí)驗(yàn)中，采用了某公司生產(chǎn)的5D Mark單反相機(jī)以及鏡頭，鏡頭參數(shù)指標(biāo)為焦距24-105mm f/4 IS USM，該套成像系統(tǒng)成像的像素尺寸為5760×3240，在上述公式中，的數(shù)值在0～1之間，且該數(shù)值越趨向于1，則說明成像系統(tǒng)成像質(zhì)量越高。

在OY軸以及OZ軸方向上的成像影響情況詳述如下：成像設(shè)備的拍攝方向的為OX軸方向，因此OY軸和OZ軸在光學(xué)系統(tǒng)方向上呈對(duì)稱分布。由此，可得到以下各式：

在上列各式中，d表示為無人機(jī)停滯狀態(tài)的像的位置，d'表示無人機(jī)成像系統(tǒng)在懸停狀態(tài)的像的位置，f表示攝像設(shè)備的光學(xué)焦距，H表示拍攝設(shè)備和被拍攝對(duì)象之間的距離。D表示未產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)被拍攝對(duì)象的位置，D'表示產(chǎn)生振動(dòng)后目標(biāo)的位置。表示拍攝設(shè)備的線位移情況，表示在傳感器上的像移情況。計(jì)算步驟為：將OY軸方向、OZ軸方向的最大值、最小值以及平均值乘以0.1，可以計(jì)算出數(shù)值，將該值代入

表1 MTF(N)的具體數(shù)值

其后，將攝像設(shè)備參數(shù)代入

最終，獲得的具體數(shù)值。最大值、最小值以及平均值的具體數(shù)值的見表1。

2 像素解析度計(jì)算

在進(jìn)行像素解析度分析時(shí)需要運(yùn)用三點(diǎn)激光測(cè)距儀，將測(cè)距儀和快門同步測(cè)量的物距L帶入下式中，并結(jié)合透鏡的成像原理進(jìn)行計(jì)算。可得下式：

在該式中，L'表示像距，f表示拍攝設(shè)備的光學(xué)焦距。假定：A為被拍攝目標(biāo)的真實(shí)尺寸，在橋面裂縫檢測(cè)活動(dòng)中即代表橋面裂縫的寬度數(shù)值，A’設(shè)定為成像中的尺寸，可得下式：

將①帶入②中，可得下式：

在該式中，A''為拍攝設(shè)備產(chǎn)生的像素?cái)?shù)值，d表示拍攝設(shè)備中圖像傳感器的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，D表示拍攝設(shè)備中圖像傳感器的長(zhǎng)邊像素?cái)?shù)值，則可得像素解析度計(jì)算公式為：

3 無人機(jī)成像在橋梁裂縫寬度識(shí)別活動(dòng)中的具體應(yīng)用

3.1 成像實(shí)驗(yàn)

筆者利用八旋翼無人機(jī)以及配套成像設(shè)備選定了某混凝土橋梁進(jìn)行了裂縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：在利用了穩(wěn)定設(shè)備并對(duì)無人機(jī)拍攝回傳圖像進(jìn)行相關(guān)處理后可以滿足相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是在人工手持成像時(shí)可能出現(xiàn)拍攝設(shè)備抖動(dòng)量較大出現(xiàn)的圖像模糊的情況，在部分情況下還會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度較低的情況。

3.2 無人機(jī)回傳圖像處理

在無人機(jī)圖像拍攝設(shè)備獲取圖像后，需要針對(duì)圖像進(jìn)行處理，以便對(duì)橋梁裂縫的準(zhǔn)確判定。通常情況下，需要按照如下流程進(jìn)行圖像處理以提取關(guān)鍵信息：第一，利用無人機(jī)設(shè)備采集橋梁裂縫圖像；第二，對(duì)無人機(jī)回傳圖像進(jìn)行灰度處理，灰度處理能夠?qū)υ紙D像進(jìn)行處理，改善其對(duì)比度不足的問題。第三，對(duì)圖像進(jìn)行濾波增強(qiáng)處理；第四，進(jìn)行最大熵閾值分割處理；第五，進(jìn)行SVM裂縫訓(xùn)練，并將裂縫進(jìn)行標(biāo)記和提??；最后，進(jìn)行裂縫寬度的計(jì)算。

4 結(jié)語

運(yùn)用無人機(jī)成像系統(tǒng)進(jìn)行橋梁裂縫的檢測(cè)與識(shí)別相較于傳統(tǒng)檢測(cè)模式具有多種優(yōu)勢(shì)，其不僅可以獲得符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像，還可以減少由于橋梁檢測(cè)活動(dòng)造成的交通擁堵情況。但是，其在運(yùn)用的過程中也會(huì)受到遙控信號(hào)、不良天氣的影響，需要進(jìn)一步克服相關(guān)難題才能更進(jìn)一步提升橋梁裂縫檢測(cè)的效率和質(zhì)量。