0 引言

随着我国桥梁建设的日趋完善和新技术手段的不断发展，为保证桥梁工程质量和运营的安全性，相关部门针对桥梁检测技术，进行了大量创新性的研究。无人机本身^[1]具备的成本低廉、携带方便、结构简单等优势，并广泛应用于运输、消防、电力巡检、国土测绘、应急救灾等领域，为工作带来了便利性。在桥梁检测领域中，大多数山区桥梁，由于地形复杂、地面高差起伏大，故多采用高墩大跨^[2]的结构形式，而特殊结构形式的桥梁，如斜拉桥、悬索桥等，其大部分重要构件位于高空。检测中存在以下难题：（1）高墩、主塔、涉水区段、大跨拱桥拱脚等存在一定的检测盲区，检测人员与桥检车难以到达；（2）危险系数比较大，给检测人员带来人身风险；（3）检测效率低，检测准备工作耗费大量时间等。目前，前期研发的桥梁智能检测系统已可覆盖多种检测场景，针对以上难题，本研究基于无人机的航空摄影技术^[3]，设计开发了分布式无人机检测系统，解决桥梁智能检测系统中多场景应用的覆盖性与适用性问题，开发完善更加快速、便捷和高效的桥梁智能检测新方法、新手段。

1 分布式无人机桥梁智能检测

依托桥梁智能检测系统BIDS的系统架构，设计分布式无人机检测系统的功能模块，并结合实际工程现场传统检测的流程方案，进行无人机检测功能操作流程重新设计与开发。该模式主要利用多架无人机云平台搭载桥检传感器BIDS（5000万像素、Harmony OS操作系统），基于桥梁智能检测系统中的鸿蒙分布式组网技术^[4]无线传输高清影像数据与病害信息，桥梁智能检测系统BIDS分析端进行病害智能识别与数据处理，并通过三维点云实景建模实现可视化管理与病害溯源，最终导出桥梁检测报告。操作流程设计如下图所示。

图1 分布式无人机桥梁检测操作流程图

2 无人机桥梁检测关键技术

2.1 检测航线规划

无人机的操控可分为人工驾驶和自动巡航^[5]两种模式。不同于无人机的空间测绘，桥梁检测则需要无人机搭载桥检传感器BIDS围绕桥梁结构进行近距离拍摄，而获取高精度影像。人工驾驶拍摄需要无人机处于操作手的视野范围内，但无人机在桥下空间穿行时则难以操作，也容易炸机，具体较高的风险。本研究采取的方案是通过三维实景模型，规划无人机的检测飞行航线，实现桥梁构件自动巡航影像采集。首先，采用无人机倾斜摄影生成三维实景模型，具体方法是先对桥梁结构进行远距离航拍获取大量图像；然后，采用Concept Cap-ture软件，依次通过读取照片相对位置和方向、校准图像、自动三维重建和纹理映射等步骤，建立一般精度的三维实景模型；最后，根据三维实景模型的定位信息进行无人机检测航线规划，航线规划的精度达到10cm，测试并设置无人机避障距离，保证1.5m~2.0m近距离拍摄，可满足无人机航行安全性与拍摄距离精度的要求，检测数据精度达到0.15mm。桥梁高墩的无人机检测航线设计如图所示。

图2 桥梁高墩无人机检测航线设计

2.2 电磁频谱发射源定位技术

电磁频谱发射源定位技术^[6]可进行单站定位以及多站定位的划分，对于单一可搬移式布设站点形式的采用，能够实现最终定位，而对于多站联合检测信号TOA、AOA、FDOA以及TDOA等的采用，则能够以几何算法、多测量点信息交汇的形式，得到最终的定位结果。

2.3 三维实景建模技术

无人机本身具有高空视角，用于工程测量和三维建模等。通过无人机倾斜摄影获取三维影像和正射影像，具有效率高、精度高的优点，可以较大程度地还原地面上的被摄物体。

无人机三维实景建模^[7]主要有3种方式，点云融合、智能摄影、立体环绕。点云融合：在桥梁三维建模中，可以使用无人机拍摄桥梁顶部、对角线照片，再使用工具合成照片以生成3D模型。但由于无人机的视角从上到下，所以很容易被其他物体遮挡，降低扫描成像精度。通常可结合三维激光扫描来获得桥梁高精度整体外部图像，这就是点云融合技术。智能摄影：在实时地图上找到桥梁位置，操作手驾驶无人机飞过目标，点击开始拍摄，无人机自动开始围绕目标物体进行拍摄，周围路径和云台角度会在地图界面中出现。然后将拍摄的视频文件移动到三维建模工具中以生成立体模型。立体环绕：在目标桥梁的底部创建一个多边形，以便该多边形可以围绕垂直方向目标对象投影、确定多边形的高度以形成3D多边形，并设置路线重叠率和侧面重叠率。根据3D多边形的路线调整参数，建立三维实景模型。

图3 桥梁三维实景模型

3 工程应用

以广州市海心桥为实际工程案例，根据海心桥为中承式钢拱桥，根据其结构特点与周围环境状况，采用桥梁智能检测系统BIDS中的分布式无人机检测系统进行作业。

表1 桥梁结构各部分参数表

桥面系的跨中区域作为UAV起降点，设置安全围敝，并检查各设备与软件运行状态，起飞，保证视野内飞行。检测航线规划：①主拱圈整体状况。采集拱圈顶部正面、侧面影像；②吊杆拱上锚点状况。依据吊杆编号（1#-23#），按照顺序采集图像，各个拱上锚点图像，吊杆整体状况正面、侧面图像；③吊杆梁上锚点状况（桥面）。依据吊杆编号（1#-23#），按照顺序采集图像，各梁上锚点图像，桥面系则由桥梁智能检测系统手持端模式进行检测，桥面整体状况图像，包含：引桥、主桥、亲水平台、梯道；④吊杆梁上下锚头状况（主梁下方）。依据吊杆编号（1#-23#），按照从南至北方向，拍摄引桥、主桥的梁底概况，平均间隔约为1.2m/张，获取梁底整体大图。梁底各下锚头位置图像；⑤墩台与支座状况。按照由南至北方向，根据顺序近距离拍摄墩台与支座，各位置图像；⑥整体大图。无人机航拍取景+手持端拍摄，图像数量；⑦桥梁三维建模。利用智能摄影进行海心桥的三维实景建模；⑧桥梁智能检测系统BIDS分析端自动处理数据，并导出桥梁检测报告。

图3 海心桥分布式无人机智能检测

表2 分布式无人机智能检测与传统检测方式效率对比

经测试比对，针对桥梁高墩构件的检测，较于传统的桥梁检测方式，分布式无人机检测系统的检测综合效率提升76.84%，影像覆盖率与最高影像精度两种方式相差不大。而针对特殊桥梁检测，如海心桥的拱圈、吊杆等构件的检测，较于传统的桥梁检测方式，分布式无人机检测系统的检测综合效率提升85.54%，且影像覆盖率与最高影像精度均高于传统检测方式。

4 结论与展望

桥梁智能检测系统BIDS在海心桥等特殊桥梁表观检测中，开发了分布式无人机智能检测系统，相比于传统的远距离观测方式，该系统可将桥梁结构关键部位的状况“尽收眼底”，全方位排查桥梁结构的安全隐患，影像覆盖率达到90%以上。针对桥梁高墩和特殊桥梁表观检测，综合检测效率分别提升76.84%、85.54%。搭载桥检传感器BIDS，结合无人机的定位与避障距离信息，检测精度达到0.15mm。利用三维实景建模技术，为桥梁后期病害数据的溯源与桥梁运维管养决策提供支持。无人机技术突破了传统桥梁检测方式中的局限性，保障了桥梁检测高空作业的安全性，提高了检测效率，推动了桥梁检测领域的发展与进步。

参考文献

[1] 马正宇.基于无人机影像的公路桥梁裂缝智能检测方法[J].工程机械与维修,2023,(04):

[2] 刘彦君.无人机检测系统在桥梁检测中的应用研究[J].中国设备工程,2023,(14):

[3] 李欣,林婧,侯泽群等.无人机航空摄影技术在桥梁检测中的应用研究[J].西部交通科技,2023,(05):.

[4] 皇迎港,杨洋,任勇峰等.CAN总线分布式采集模块的优化设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2023,23(02):53-56.

[5] 阮小丽,钟建平,吴巨峰等.基于无人机的桥梁外露面裂缝识别系统研究[J].湖南交通科技,2023,49(03):

[6] 朱俊良,王鹏,陈斌.基于多型智能桥检装备的梁桥联合检测技术研究[J].公路交通技术,2023,39(4):70-77.

[7] 李彦祥,王秀雄.基于无人机的市政道路三维实景建模设计及应用研究[J].中国高新科技,2023,(15):