無(wú)人機(jī)在海南島燈塔建設(shè)中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

◎ 余沛杰 彭鐘 李海峰 陶鵬 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心?？诤綐?biāo)處

1.引言

無(wú)人機(jī)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，其在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在海洋工程建設(shè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。中國(guó)海南省地處東南亞海域，擁有眾多海島，是中國(guó)南海地區(qū)的重要組成部分，其中不少地方需要建設(shè)燈塔，以確保海上交通安全。因此，海南的燈塔建設(shè)對(duì)于提高海上安全水平具有非常重要的意義。然而，由于海南島的特殊地理位置和復(fù)雜的海域環(huán)境，燈塔在建設(shè)過(guò)程中也遇到許多挑戰(zhàn)，為解決這些挑戰(zhàn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到燈塔建設(shè)當(dāng)中。本文將以海南島燈塔建設(shè)為研究對(duì)象，綜合分析了無(wú)人機(jī)在海南島的燈塔建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)在燈塔建設(shè)和航海保障方面的發(fā)展進(jìn)行了展望。

2.無(wú)人機(jī)在燈塔建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 建筑測(cè)量

海南島周圍是復(fù)雜的海域環(huán)境，包括淺灘、珊瑚礁、暗礁等，同時(shí)海南島也經(jīng)常遇到臺(tái)風(fēng)、暴雨等惡劣天氣的影響。這些環(huán)境給燈塔建設(shè)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人力測(cè)量方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，并且受到天氣和海洋條件的限制；而在燈塔建設(shè)中，精確的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集是非常重要的，但傳統(tǒng)的建筑測(cè)量需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，而且往往無(wú)法達(dá)到足夠的精度。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，使得這些問(wèn)題現(xiàn)在在無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用中可以得到解決。

相比傳統(tǒng)的建筑測(cè)量方法，無(wú)人機(jī)技術(shù)可以通過(guò)高空航拍和測(cè)量等方式，獲取燈塔建設(shè)區(qū)域的地形、地貌、水深等信息，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和施工提供支持，同時(shí)也減少了人力和物力的消耗，提高了工作效率。

通過(guò)搭載高精度的測(cè)繪儀器，如高清攝像機(jī)、遙感紅外相機(jī)、紅外熱像儀、雷達(dá)、三維掃描儀等裝備，無(wú)人機(jī)可以對(duì)燈塔建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高精度的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集[1]。例如由于海南地形特殊、海況復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量，往往存在測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、效率不高等問(wèn)題，而無(wú)人機(jī)配備的有高分辨率的數(shù)碼轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)處理器，能確保拍攝的影像具有更高的分辨率，因此利用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)能夠獲取燈塔建設(shè)場(chǎng)地周圍的真實(shí)的地形地貌數(shù)據(jù)，并能夠隨時(shí)了解燈塔建設(shè)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響變化情況。

無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，使我們?cè)跓羲ㄔO(shè)中可以結(jié)合傾斜投影技術(shù)對(duì)地形和土石方量進(jìn)行測(cè)算。不同于傳統(tǒng)的正射影像 （從垂直向下角度拍攝地面），傾斜攝影技術(shù)通過(guò)垂直、傾斜等不同角度對(duì)地面采集影像，能夠高效、完整地還原地物狀況。垂直地面角度拍攝獲取的一組影像為正片，鏡頭朝向與地面成夾角拍攝獲取的影像為斜片。傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)包括多角度觀測(cè)地物，更真實(shí)反映地物現(xiàn)實(shí)情況；傾斜攝影影像可實(shí)現(xiàn)單張影像測(cè)量；有效降低地物三維建模成本；傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)量小，便于實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

以土石方量測(cè)算為例：通過(guò)利用地形數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)一步形成三棱柱，最后通過(guò)三棱柱計(jì)算出土方量，統(tǒng)計(jì)得出燈塔施工區(qū)域的土方量。相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效率低、作業(yè)復(fù)雜且對(duì)場(chǎng)地要求高，利用無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土石方量高效率、高精度、智能化測(cè)算[2]。

2.2 施工管理

圖1 博鰲燈塔

圖2 木欄頭燈塔

近年來(lái)，隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的推進(jìn)，燈塔建設(shè)工程步伐逐漸加快，傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場(chǎng)管理難以應(yīng)對(duì)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)建造投入大、施工周期長(zhǎng)、多工種交叉作業(yè)、海邊環(huán)境惡劣等因素的影響，利用無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)便高效的特點(diǎn)，通過(guò)整合飛行位置數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)，能夠大大降低三維模型建立成本，生成實(shí)景模型與工程數(shù)據(jù)結(jié)合，輔助燈塔建造工程在施工進(jìn)度、質(zhì)量等方面的管理，擴(kuò)大施工半徑，有效提高管理效率[3]。

無(wú)人機(jī)在施工具體環(huán)節(jié)上發(fā)揮著獨(dú)特的作用，在燈塔施工過(guò)程的后期，由于燈塔高度的問(wèn)題，施工監(jiān)督通常面臨需要高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，采用肉眼觀察不可避免會(huì)遺漏部分隱蔽角落，存在施工隱患。利用無(wú)人機(jī)可以在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，包括對(duì)高處的腳手架連接處、混凝土模板搭設(shè)、鋼筋綁扎等工序的檢查，保障施工質(zhì)量和安全。

同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以在高空對(duì)整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以解決。

結(jié)合無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)與土木工程質(zhì)量問(wèn)題的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)在燈塔建設(shè)施工過(guò)程中質(zhì)量管理中的應(yīng)用主要為：

1）無(wú)人機(jī)搭載自動(dòng)掃描攝像頭，圍繞建筑物或橋梁隧道等工程表面飛行，定點(diǎn)懸停觀測(cè)，將圖像傳輸至地面站，經(jīng)圖像處理等軟件技術(shù)自動(dòng)識(shí)別裂縫等信息；

2）配有360°全景攝像頭的無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)，結(jié)合圖像特征提取技術(shù)，記錄質(zhì)量問(wèn)題所在位置[4]。

2.3 檢查維護(hù)

在燈塔建設(shè)后，燈塔的檢查和維護(hù)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。而傳統(tǒng)的檢查和維護(hù)需要依靠航標(biāo)工作人員進(jìn)行，而且往往需要在燈塔附近的海面上進(jìn)行操作，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。而無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用則可以解決這些問(wèn)題。

通過(guò)搭載高清攝像頭、紅外線相機(jī)等設(shè)備，無(wú)人機(jī)可以對(duì)燈塔進(jìn)行全方位的檢查和維護(hù)。工作人員可以通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝的圖像和視頻數(shù)據(jù)，對(duì)燈塔的運(yùn)行情況進(jìn)行分析和判斷，包括燈塔的塔體、燈器外觀和其他設(shè)備等多方面的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也可以大大減少負(fù)責(zé)檢查工作人員高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，提高工作的安全性。

無(wú)人機(jī)巡檢燈塔需要根據(jù)具體情況選擇合適的機(jī)型和相應(yīng)的巡檢方案。一些研究已經(jīng)提出了相應(yīng)的無(wú)人機(jī)巡檢燈塔的設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用方案。例如，現(xiàn)在有人設(shè)計(jì)了一種垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)用于燈塔巡檢，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外還有人則開(kāi)發(fā)了一種多旋翼無(wú)人機(jī)用于燈塔巡檢，并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用研究。無(wú)人機(jī)巡檢可以進(jìn)行燈塔外部結(jié)構(gòu)的檢查，如燈塔塔體、燈籠、燈光、支撐結(jié)構(gòu)、防護(hù)罩等。通過(guò)無(wú)人機(jī)巡檢，可以有效地發(fā)現(xiàn)和解決燈塔存在的問(wèn)題。

3.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)更新迭代越來(lái)越快，隨著各種新型無(wú)人機(jī)的問(wèn)世，無(wú)人機(jī)在燈塔建設(shè)中的應(yīng)用前景更加廣闊。未來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)將可能會(huì)在以下幾個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展和應(yīng)用：

3.1 自主作業(yè)

目前，無(wú)人機(jī)在燈塔建設(shè)中主要是進(jìn)行檢測(cè)工作。但是隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)的自主飛作業(yè)能力將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向，例如通過(guò)開(kāi)發(fā)具備一定人工智能的無(wú)人機(jī)使其具備自主判斷燈塔運(yùn)行狀況的能力，在發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生可以直接發(fā)送報(bào)警信息到航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)，無(wú)需再操作無(wú)人機(jī)拍照或錄像后上傳系統(tǒng)；或者利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行燈塔燈光拉距測(cè)試，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載感光等設(shè)備，測(cè)試燈塔燈光照射距離，可以極大降低燈塔拉距測(cè)試成本，簡(jiǎn)化拉距測(cè)試的作業(yè)流程，無(wú)需出動(dòng)船舶進(jìn)行測(cè)試。

自主作業(yè)可以使無(wú)人機(jī)更加靈活、快速地應(yīng)對(duì)各種環(huán)境和任務(wù)，從而提高工作效率和精度。

3.2 多機(jī)協(xié)同作業(yè)

在燈塔建設(shè)中，有時(shí)會(huì)經(jīng)常遇到單架無(wú)人機(jī)無(wú)法獨(dú)自完成作業(yè)的情況。例如，在物資運(yùn)輸環(huán)節(jié)，單架無(wú)人機(jī)面對(duì)大重量物資會(huì)面臨過(guò)重?zé)o法起飛，或者由于物資過(guò)重影響續(xù)航，此時(shí)通過(guò)多架無(wú)人機(jī)可以協(xié)同運(yùn)輸更大的物資，提高運(yùn)輸效率，同時(shí)多架無(wú)人機(jī)也可以避免續(xù)航不足導(dǎo)致墜機(jī)，通過(guò)多架無(wú)人機(jī)分擔(dān)貨物重量，從而減少運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)；在燈塔施工過(guò)程，利用多架無(wú)人機(jī)進(jìn)行燈塔外墻涂料噴刷，極大降低燈塔施工過(guò)程中裝飾裝修環(huán)節(jié)的涂料噴刷高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為燈塔的施工安全管理帶來(lái)極大的質(zhì)量保障。未來(lái)，多機(jī)協(xié)同作業(yè)將會(huì)成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的又一個(gè)重要方向。

3.3 智能傳感和數(shù)據(jù)分析

隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和智能化，其搭載的傳感設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也將會(huì)不斷升級(jí)。未來(lái)，無(wú)人機(jī)將會(huì)搭載更加先進(jìn)的傳感設(shè)備，能夠更加準(zhǔn)確地采集環(huán)境數(shù)據(jù)和建筑數(shù)據(jù)，從而為燈塔建設(shè)提供更加精確的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還可以將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)智能算法進(jìn)行分析和處理，提取有用的信息和結(jié)論，幫助航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)變得更加智能化，從而更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)航標(biāo)工作人員參與對(duì)燈塔的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)。

3.4 物資運(yùn)輸

在燈塔建設(shè)中，物資運(yùn)輸是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的物資運(yùn)輸需要依靠船只和人力進(jìn)行，這種方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易受到海洋環(huán)境和天氣條件的影響。海南島地處南海中心，距離中國(guó)南部沿海地區(qū)較遠(yuǎn)，交通不便。在燈塔建設(shè)過(guò)程中，物資和人員的運(yùn)輸成為一個(gè)重要的問(wèn)題。傳統(tǒng)的海上運(yùn)輸方式需要消耗大量時(shí)間和人力，而且還受到天氣和海洋條件的限制。

在南海區(qū)域的某些偏遠(yuǎn)島礁上建設(shè)燈塔時(shí)，常常需要運(yùn)輸大量的建筑材料和設(shè)備。這些物資大多需要通過(guò)海上運(yùn)輸，而在海上運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，受到海浪和風(fēng)力等因素的影響，容易造成物資的破損和丟失。此時(shí)，無(wú)人機(jī)可以通過(guò)空中運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑢⑽镔Y安全、快速地運(yùn)送到燈塔建設(shè)場(chǎng)地。

4.結(jié)論

本文以海南島礁燈塔建設(shè)為研究對(duì)象，綜合分析了無(wú)人機(jī)在燈塔建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。從建筑測(cè)量、施工管理和檢查維護(hù)三個(gè)方面對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在燈塔建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。通過(guò)本文的分析，可以看出無(wú)人機(jī)技術(shù)在燈塔建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，不僅提高了工作效率和質(zhì)量，還降低了經(jīng)濟(jì)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，無(wú)人機(jī)技術(shù)在燈塔施工建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

然而，無(wú)人機(jī)技術(shù)在燈塔建設(shè)中的應(yīng)用還面臨著一些挑戰(zhàn)，例如，飛行環(huán)境復(fù)雜、人員素質(zhì)不高、電池續(xù)航短、制造成本高等問(wèn)題。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要在技術(shù)研發(fā)和人員培訓(xùn)等方面進(jìn)行進(jìn)一步的探索和改進(jìn)。

綜上所述，無(wú)人機(jī)技術(shù)在燈塔建設(shè)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，在航海保障方面和燈塔建設(shè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。相信在未來(lái)隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越成熟，更符合航海保障和燈塔建設(shè)的無(wú)人機(jī)將會(huì)出現(xiàn)，幫助航標(biāo)工作者在燈塔建設(shè)中發(fā)揮更大的作用，為海上交通安全保障做出更大的貢獻(xiàn)。