基于无人机技术的桥梁工程检测与监测研究

基于无人机技术的桥梁工程检测与监测研究

王梓勤

重庆高速工程检测有限公司，重庆市，400000

摘要：无人机技术在桥梁工程检测中发挥着重要作用，它能够提供高效、准确的检测方法和监测体系。桥梁结构检测包括外观检测和构件检测，无人机通过航拍和激光扫描技术能够捕捉桥梁的详细图像和三维数据。这些数据对于评估桥梁的结构完整性至关重要。在桥梁工程监测体系中，监测指标的选取、监测系统的构建以及数据分析和预警机制的设计，都是确保桥梁安全运行的关键环节。

关键词：无人机技术；桥梁工程；结构检测

引言

随着无人机技术的快速发展，其在桥梁工程检测和监测中的应用越来越广泛。无人机能够提供高分辨率的图像和精确的三维数据，这对于桥梁的外观检测、构件检测以及长期健康监测具有重要意义。

1. 基于无人机技术的桥梁工程检测方法

1.1 桥梁结构检测

1.1.1 桥梁外观检测

桥梁外观检测在桥梁健康监测中占有重要地位，主要着眼于桥梁表面状况及结构外观是否完整。从传统方法上看，该流程通常需要人工大量参与，既低效又有安全风险。在无人机技术不断发展的背景下，以无人机为载体的桥梁外观检测方法给该领域带来一场革命性变革。无人机配备了高分辨率摄像头和其他多种传感器，例如红外摄像机和激光扫描仪等，这些设备能够飞行到桥梁的各个区域，从多个不同的视角捕获高分辨率的图像和数据，桥梁表面裂缝，腐蚀，剥落等病害得到了迅速、准确地鉴定与评价。另外无人机上还可搭载图像处理软件并利用图像识别与机器学习算法对检测图像进行自动分析以实现桥梁外观问题快速定位与归类。这样不但大大提高了检测效率与安全性，而且可通过经常性监测形成桥梁健康档案为桥梁养护与维修提供科学依据。

1.1.2 桥梁构件检测

桥梁构件检测主要是对桥梁结构各重要部件进行状态评价，其中包括但不仅仅局限于桥墩，支座及梁体结构完整性及功能性检测。使用无人机上携带的高级检测设备如高分辨率相机，红外热像仪和激光雷达（LiDAR），工程师们就能在没有任何触摸的情况下仔细查看这些组件。无人机所具有的灵活性使得它可以靠近这些平时很难达到的地方，比如桥下或者里面，为人们提供了详细的视觉以及数据分析。将数字图像处理技术与三维建模相结合，利用无人机获取数据生成高精度桥梁构件三维模型，该模型可应用于结构应力分析，变形监测及后续有限元分析。对比连续时间点数据、无人机检测能够辅助检测构件细微变化以对潜在结构问题进行提前预警。随着科技的发展无人机也可能携带更多的传感器，如超声波探头和电磁感应仪器，这进一步拓展了无人机在桥梁构件检测方面的应用领域，也为保障桥梁的长期安全运行提供了强有力的支撑。

1.2 桥梁工程检测数据采集

1.2.1 航拍数据采集

航拍数据的获取是非常关键的一环，其采用无人机携带的高分辨率相机系统，实现了桥梁空中全方位、多角度摄影。该方法可以提供较地面视角更为开阔的视角，特别适用于大尺寸或者复杂地形桥梁结构。利用无人机航拍可获取高清视频及图片，数据既可展示桥梁整体结构状态又可详细展示桥面、桥墩、梁体及其他构件表面状况例如裂缝、剥落或者腐蚀。航拍数据还有一个显着优势就是高效性与安全性，无人机能够快速布放，并且不影响运输，就能执行数据获取任务。另外这些航拍图像与视频可用于建立桥梁三维模型或者数字双生，对开展结构分析，制定维护计划以及历史变化追踪等都有着重要意义。随着图像处理技术与人工智能的发展，航拍数据能够通过自动化分析更快发现结构中存在的不足与潜在问题、极大提高了检测精度与效率。

1.2.2 激光扫描数据采集

激光扫描数据获取为桥梁工程检测提供了又一高效，高精度技术手段。通过使用无人机搭载的激光扫描仪（LiDAR）进行数据收集，我们能够生成关于桥梁及其周围环境的详尽三维点云模型。该技术利用发射激光脉冲和测量脉冲从物体表面反射回时间的差异计算出距离以准确绘制桥梁各构件几何形状。激光扫描在探测桥梁微小变形和裂缝宽度等结构问题时效果尤为显着，因其提供数据分辨率较高且能捕捉最小细节变化。激光扫描的数据为复杂的空间分析提供了支持，例如斜率分析和结构变形的监控，这对于评定桥梁的健康状态和预估潜在的维护需求是非常关键的。得益于无人机的高度灵活性，激光扫描技术能够覆盖那些传统技术难以触及的区域，例如桥梁的下部或其内部构造，从而确保了数据收集的完整性和精确度。

2. 基于无人机技术的桥梁工程监测体系

2.1 监测指标选取

在基于无人机技术桥梁工程监测体系设计中，选取适当的监测指标对保证系统的有效性至关重要。其中一般包括桥梁结构完整性、功能性、安全性。结构完整性指标是指桥梁各主要部件如梁体，桥墩及支座等的变形、开裂、腐蚀及接缝等状态。功能性指标主要集中在桥梁使用状态上，例如载荷能力、震动水平、位移以及倾斜程度等，这对桥梁服务性能有着直接的影响。安全性指标则涉及桥梁在自然灾害（如洪水、地震）和日常交通负荷下的响应情况。无人机技术使这些指标数据采集更有效、更准确，因为无人机可携带各种传感器，例如高分辨率摄像头，红外热像仪等、激光扫描仪等等，由此实现了桥梁在不同视角与维度上的综合探测。另外随着科技的进步，监测指标选择趋于多样化、智能化，如通过将机器学习与人工智能技术融合在一起，监测系统可以对所采集的海量数据进行自动分析，通过识别可能出现的异常和发展趋势，我们可以及时地预警可能的风险确保桥梁能够长期安全地运行。

2.2 监测系统设计

设计一个基于无人机技术的桥梁工程监测系统需要综合考虑技术、操作和数据处理等多方面的因素。系统设计要确保无人机的稳定性和操作的安全性，考虑到无人机在复杂环境中可能遇到的风险，如气候条件、空域限制等，系统应包括先进的飞行控制技术和自动避障功能。其次，监测系统应具备高效的数据采集和传输能力，无人机需要搭载多种传感器来执行特定的监测任务，如使用高分辨率摄像头进行视觉检测，激光扫描仪进行三维建模，以及红外热像仪来探测潜在的内部缺陷。监测系统还应包括强大的数据处理和分析平台，利用云计算和边缘计算技术，可以实时处理大量数据，支持高效的数据分析和可视化，以及基于AI的自动化决策支持。系统设计还需要考虑用户操作的便捷性，包括用户友好的界面和易于管理的数据访问方式，确保工程师和决策者能够轻松获取所需信息，并据此进行及时有效的桥梁维护和管理工作。

2.3 数据分析与预警机制

以无人机技术为基础的桥梁工程监测体系，其数据分析及预警机制是保障桥梁长远安全、提高维护效率的关键环节。此机制主要依赖于从无人机搭载的多种传感器（例如，视觉、红外、激光扫描）收集的大量数据。利用机器学习、深度学习等高级数据处理技术对桥梁典型损伤特征及异常模式进行训练模型识别。数据分析流程先是对数据进行去噪、归一化，特征提取等预处理，然后再进行趋势分析等更深一步分析、聚类与分类有利于揭示桥梁健康状态与性能变化。预警机制再根据上述分析结果设置阈值及条件以引发自动警报。比如当数据表明桥梁某处裂缝宽度大于安全标准时，系统会自动告知维护团队。

结束语

无人机技术在桥梁工程检测和监测中的应用，为桥梁的安全评估和维护提供了新的视角和方法。通过无人机的航拍和激光扫描技术，可以高效地获取桥梁的外观和构件信息，为结构完整性评估提供数据支持。无人机监测体系的建立，包括监测指标的选取、系统设计以及数据分析和预警机制的构建，为桥梁的长期健康监测提供了保障。未来，随着无人机技术的不断进步，其在桥梁工程中的应用将更加广泛，为桥梁的安全运行和维护提供更加有力的技术支持。

参考文献

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