基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的無人機(jī)檢測高層建筑墻面裂縫技術(shù)研究

李秉乾 吳磊磊 李創(chuàng)創(chuàng)

【摘 要】為了改變傳統(tǒng)的高層建筑墻面裂縫監(jiān)測方法存在的費(fèi)工、費(fèi)時與危險(xiǎn)等弊端，創(chuàng)新的將無人機(jī)攝影技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，利用其來監(jiān)察檢測高層建筑墻面裂縫。通過對拍攝的裂縫變形圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割、像素標(biāo)定、寬度測量，完成建筑裂縫測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于無人機(jī)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的裂縫監(jiān)測方法，不僅具有較高的精度和可操作性，而且與傳統(tǒng)測量方法相比能夠顯著提高工作效率，對裂縫的監(jiān)察檢測具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；數(shù)字圖像處理；高層建筑裂縫檢測

一、基于數(shù)字圖像處理的建筑裂縫測量的實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字圖像處理的建筑裂縫測量的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

（一）數(shù)字圖像處理技術(shù)簡介

數(shù)字圖像處理技術(shù)是一種將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理的技術(shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包括幾何處理、算術(shù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像編碼、圖像識別、圖像理解等幾個方面的內(nèi)容。

近年來，隨著數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺及數(shù)字?jǐn)z影測量等技術(shù)的快速發(fā)展，高精度影像匹配和相應(yīng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)可達(dá)到子像素的精度，使數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于精密測量、空間探測、遙感、生物醫(yī)學(xué)、人工智能以及工業(yè)檢測等許多領(lǐng)域，并促使這些學(xué)科產(chǎn)生了新的發(fā)展。

（二）數(shù)字圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

為了解決高層建筑裂縫變形監(jiān)測中所面臨的困難，我們團(tuán)隊(duì)提出了一種以無人機(jī)為載體的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸式無損測量方法。該方法使用非量測數(shù)碼相機(jī)，不需在現(xiàn)場布設(shè)像控點(diǎn)，地點(diǎn)完全自由，可獲得大量裂縫在變形的整體信息，與傳統(tǒng)的測量方法相比，該方法具有現(xiàn)場作業(yè)時間短、觀測信息量大、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的資料表明，其觀測精度己達(dá)到較高的水平，是一種具有較大發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)變形監(jiān)測手段。數(shù)字圖像處理技術(shù)作為本文探討的核心技術(shù)，能夠真正意義上實(shí)現(xiàn)對高層建筑表面的裂縫變形進(jìn)行非接觸無損測量，這是在于數(shù)字圖像處理技術(shù)具有再現(xiàn)性好、處理精度高、適用面寬、靈活性高等許多模擬圖像處理技術(shù)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

二、無人機(jī)簡介

無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。無人機(jī)實(shí)際上是無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，與載人飛機(jī)相比，它具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對作業(yè)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。

（一）無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)

在整個無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)構(gòu)成中，無人機(jī)作為主要的系統(tǒng)搭載平臺，是整個系統(tǒng)集成與融合的重要基礎(chǔ)。這一硬件系統(tǒng)主要由無人機(jī)、數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)、導(dǎo)航與飛行控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分構(gòu)成。在該系統(tǒng)工作的過程中，整個系統(tǒng)會按照預(yù)先設(shè)定的航線進(jìn)行相應(yīng)的自主飛行，并且完成預(yù)先設(shè)定的航空攝影測量任務(wù)，同時實(shí)時地把飛機(jī)的速度、高度、飛行狀態(tài)等參數(shù)傳輸給地面控制系統(tǒng)。

在無人機(jī)上搭載高清數(shù)碼相機(jī)，觀測者可在建筑附近任意合適位置進(jìn)行操作，先控制無人機(jī)飛到待觀測墻面處，進(jìn)行圖像的采集，同時將信息傳到計(jì)算機(jī)中，同時進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢測。

（二）地面飛行監(jiān)控系統(tǒng)

這一分支系統(tǒng)是影響飛行平臺運(yùn)行的重要因素，主要有電子計(jì)算機(jī)、飛行控制軟件、電子通信控制介質(zhì)和電臺等設(shè)備。在飛行平臺的運(yùn)行過程中，地面飛行控制系統(tǒng)可以據(jù)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)發(fā)回的飛行參數(shù)信息，實(shí)時在地圖上精確標(biāo)定飛機(jī)的位置、飛行路線、軌跡、速度、高度和飛行姿態(tài)，使地面操作人員更容易掌握無人機(jī)的飛行狀況。

三、以無人機(jī)為載體的墻面裂縫檢測

（一）具體方法

利用無人機(jī)攝影技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)，來監(jiān)察檢測高層建筑墻面裂縫的具體情形。具體方法為：在應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行攝像測量時，首先要對測量的區(qū)域進(jìn)行劃分和確定，同時要對無人機(jī)的起飛和降落位置進(jìn)行確定，以更好的保證無人機(jī)攝像的精確度和數(shù)據(jù)的可靠性。（1）在正式進(jìn)行測量前，首先要確定好待測的區(qū)域范圍，以保證無人機(jī)操作的有效性。（2）提前做好無人機(jī)的航帶規(guī)劃。由于受到無人機(jī)燃料的限制，其在空中的滯留時間有限，這一時間節(jié)點(diǎn)的不允許超出的，因此在實(shí)際攝影測量之前，需要根據(jù)實(shí)際需求做好對航帶的規(guī)劃，以便更好的對無人機(jī)的飛行架次進(jìn)行調(diào)配和管理，同時在待測區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)定好飛行航帶。通常情況卜，一架無人機(jī)在完成攝像任務(wù)后應(yīng)立即返航，這樣就可以確保飛行器的安全飛行和攝像數(shù)據(jù)的全而性。隨后對所獲得的圖片進(jìn)行數(shù)字圖像技術(shù)處理，數(shù)字圖像處理主要是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用下，對圖像進(jìn)行處理，豐富處理內(nèi)容，提高處理精度，加強(qiáng)對高層墻面裂縫的監(jiān)察檢測。

（二）技術(shù)路線

在數(shù)字圖像處理時，我們將主要對裂縫的數(shù)個特征點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，它們包括裂縫的平均長度、裂縫的平均開口長度、裂縫的密度、超過允許裂縫開口長度的數(shù)量等方面。將這些特征信息植入相應(yīng)的算法中，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速分析，并且把較嚴(yán)重的區(qū)域標(biāo)記出來，同時可將統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果打印出來。這樣就可以直觀地檢測出墻面裂縫的嚴(yán)重程度以及待修正的區(qū)域。這將大大降低了監(jiān)測高層建筑墻面的難度和成本，同時也可作為墻面粉刷建造和裂縫防治的重要參考數(shù)據(jù)。

四、結(jié)語

在對裂縫圖像進(jìn)行采集時，圖像采集環(huán)境的好壞決定了采集到圖像質(zhì)量的高低，這也必然會對測量精度有影響。而通常，變形體所處的環(huán)境是非常惡劣的，尤其是高層建筑。因此如何獲得較好測量精度的圖像采集環(huán)境是十分重要的。

通過包括上述幾方面在內(nèi)的后續(xù)研究，最終能夠使本文提出的新的裂縫測量方法很好地應(yīng)用到實(shí)際工程中，以無人機(jī)為載體，采用常見的普通數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)即可較高精度地完成建筑裂縫的測量，實(shí)現(xiàn)方法簡單、成本廉價(jià)，能大大減少了監(jiān)測人員的工作量和危險(xiǎn)程度，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益，因此后續(xù)研究是非常有意義的。

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