基于無人機與計算機視覺的中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　摘 要：中國古建筑木結(jié)構(gòu)中裂縫繁多，裂縫成因與發(fā)展規(guī)律復(fù)雜，易引起木結(jié)構(gòu)構(gòu)件脆斷，從而嚴(yán)重威脅中國古建筑木結(jié)構(gòu)健康情況。該文基于無人機與計算機視覺技術(shù)設(shè)計了一套適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)包含無人機系統(tǒng)、相機系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。在無人機系統(tǒng)中，該文設(shè)計了一款適合于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機，并分析其懸停拍照的可行性。在相機系統(tǒng)中，進(jìn)行了相機畸變矯正、像素解析度標(biāo)定，并提出了一種改進(jìn)的SIFT+RANSAC方法以提高裂縫圖像拼接精度。在圖像處理系統(tǒng)中，選擇了適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫圖像的預(yù)處理方式，并將Hessian矩陣與自適應(yīng)閾值分割法融合，有效地提取了中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫特征，進(jìn)而通過計算機視覺測量方法準(zhǔn)確識別構(gòu)件和裂縫的尺寸。最后，基于中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型驗證了所提出中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

　　關(guān)鍵詞：中國古建筑木結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測;裂縫;無人機;計算機視覺

　　中國古建筑木結(jié)構(gòu)具有極高的歷史、文化價值，但在其漫長的服役周期中，環(huán)境、人為因素導(dǎo)致中國古建筑木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種形式的損傷。經(jīng)調(diào)研，裂縫是中國古建筑木結(jié)構(gòu)最為常見的損傷形式。中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫數(shù)量多、成因雜、危害大，發(fā)展規(guī)律難預(yù)測。中國古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用榫卯連接，裂縫引起的斷裂會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)性倒塌[1]，故目前亟需對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測。

　　計算機方向評職知識：無人機應(yīng)用研究論文發(fā)表要求高嗎

　　從其他領(lǐng)域危險裂縫監(jiān)測案例來看，一般裂縫監(jiān)測包括危險裂縫識別和危險裂縫生長監(jiān)測兩個步驟。在識別出結(jié)構(gòu)中危險裂縫后，應(yīng)實時將該裂縫的生長情況反饋給監(jiān)測人員，方便監(jiān)測人員根據(jù)該裂縫的發(fā)展規(guī)律判斷結(jié)構(gòu)是否需要修繕。但對于大多數(shù)中國古建筑木結(jié)構(gòu)，目前僅用人工檢測的方式識別和記錄危險裂縫。少部分中國古建筑木結(jié)構(gòu)引入了超聲波[2]、應(yīng)力波[3−4]、皮羅釘[5]等無損檢測儀器。

　　但是上述裂縫檢測方式存在如下弊端：上述方法人力、物力和財力消耗巨大;檢測過程存在無法到達(dá)的盲區(qū);檢測結(jié)果誤差大，且與檢測人員自身專業(yè)水平息息相關(guān);檢測周期較長，導(dǎo)致其難以反饋結(jié)構(gòu)突發(fā)事件， 檢測缺乏時效性。面對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫，目前需要設(shè)計一種實時、在線、動態(tài)、無接觸式、無需依賴人工的裂縫監(jiān)測方法。目前中國古建筑木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域沒有類似的方法，但近年來橋梁結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測領(lǐng)域提出了基于無人機和計算機視覺的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)[6]。

　　通過分析可知，將上述系統(tǒng)用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測存在如下問題：1)對于無人機系統(tǒng)，其他領(lǐng)域無人機系統(tǒng)均依賴GPS信號，并自主規(guī)劃路徑[7]，對于監(jiān)測路徑可靠性要求極高，且所處環(huán)境GPS信號較弱的中國古建筑木結(jié)構(gòu)來說，已有無人機很難對其裂縫進(jìn)行監(jiān)測;2)對于相機系統(tǒng)，中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中需使用貼面正攝，拍攝距離和相機廣角使得上述過程需引入圖像拼接技術(shù)，對鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測時，拍攝距離足夠且裂縫較為細(xì)小，因此并未使用圖像拼接技術(shù)[8]，用于無人機遙感航拍的圖像拼接技術(shù)往往可選特征多，拼接精度要求不高[9]，同樣無法滿足本文要求;3)對于圖像處理系統(tǒng)，目前裂縫監(jiān)測圖像處理方法多源于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的裂縫像素點占比少，與背景灰度值存在重疊，但與背景和噪聲形態(tài)不同，因此，研究人員通常使用基于形態(tài)的受限玻爾茲曼機(RBM)[10]和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)[11]提取裂縫信息。

　　但中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫與鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)裂縫差異較大，中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫像素點占比多，且與背景灰度值差別明顯，但存在與裂縫形態(tài)相似的木紋噪聲，因此目前常用的裂縫提取方法無法直接應(yīng)用。綜上所述：首先，介紹了中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫成因、發(fā)展規(guī)律和危險裂縫判別條件;其次，分別提出了適合于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機系統(tǒng)、相機系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng);最后，利用中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型驗證本文設(shè)計的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

　　1 中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫特征

　　1.1 中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫成因與危害

　　中國古建筑木結(jié)構(gòu)建造年代久遠(yuǎn)，很多木構(gòu)件上皆存在裂縫，而中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫成因與其他結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu))裂縫成因差異較大。中國古建筑木結(jié)構(gòu)原料的生長過程和結(jié)構(gòu)的建造過程均會產(chǎn)生裂縫，尤其是其服役過程，風(fēng)吹日曬、腐朽蟲蛀等環(huán)境影響，以及游客、改建等人為影響均會令古建筑木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[12]。 裂縫在后續(xù)荷載和環(huán)境作用下會進(jìn)一步發(fā)展，且因木材的強正交各向異性和復(fù)雜的微觀構(gòu)造導(dǎo)致裂縫發(fā)展規(guī)律極其復(fù)雜[13]。

　　在現(xiàn)場很難確定古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫何時開始發(fā)展以及發(fā)展的速度。但因為中國古建筑木結(jié)構(gòu)中的木材水分含量低，裂縫一旦擴展極易出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，局部的脆斷也將導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌。因此相比于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，古建筑木結(jié)構(gòu)更需要進(jìn)行實時裂縫監(jiān)測。

　　1.2 中國古建筑木結(jié)構(gòu)危險裂縫評價指標(biāo)

　　中國古建筑木結(jié)構(gòu)中裂縫繁多，但并不是每一條裂縫的生長都會引起脆斷。因此本文設(shè)計的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)首先應(yīng)識別出危險裂縫，即該裂縫繼續(xù)發(fā)展極可能造成構(gòu)件斷裂，識別后對危險裂縫的生長進(jìn)行實時監(jiān)測。據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》[14]《古建筑修建工程施工及驗收規(guī)范》[15]。

　　2 無人機系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 無人機系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

　　無人駕駛飛機簡稱“無人機”(unmanned aerialvehicle，UAV)，因其使用費用低、飛行安全性高、自然環(huán)境適應(yīng)性好，而被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、森林防火、電力和輸油管巡檢、災(zāi)后評估和建筑物外觀檢查等領(lǐng)域，但目前國內(nèi)外并沒有研究人員在中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中使用無人機。不同領(lǐng)域需求不同，導(dǎo)致無人機系統(tǒng)設(shè)計存在差異，因此本研究設(shè)計了適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機系統(tǒng)。展示了本文無人機系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)及其與目前已有無人機的差別。

　　2.2 無人機系統(tǒng)特點

　　本文設(shè)計的適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機系統(tǒng)與目前已有的其他領(lǐng)域的無人機系統(tǒng)均不相同，其具有如下特點：1)該無人機屬于輕小型無人機，機身最大對角軸距400 mm，總重量為907 g，能夠滿足中國古建筑木結(jié)構(gòu)狹小空間內(nèi)裂縫監(jiān)測需求;2)該無人機為四旋翼，可直升直降、穩(wěn)定懸停、姿勢轉(zhuǎn)換、小角度轉(zhuǎn)彎，能夠在復(fù)雜的中國古建筑木結(jié)構(gòu)中使用;3)該無人機搭設(shè)1200萬像素(1200萬pixels)相機，可正直貼面拍攝，并獲取精確的二維圖像，用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫寬度和長度確定;

　　4)該無人機無需搭載多相機和額外載重，抗風(fēng)要求低，故成本低。同時，低需求使得該無人機在裝載高倍率電池后，能夠?qū)崿F(xiàn)40 min巡航，可滿足中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測要求;針對中國古建筑木結(jié)構(gòu)內(nèi)GPS信號弱的現(xiàn)象，本文設(shè)計的無人機系統(tǒng)可通過APM飛控中的IMU(inertial measurement unit)模塊實現(xiàn)慣性控制，IMU慣性模塊中的加速度器、陀螺儀、電子羅盤、壓力傳感器可在低GPS信號的環(huán)境中獲取無人機的姿態(tài)、航向、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。

　　另外，中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測航線規(guī)劃精確固定，故本文放棄目前其他領(lǐng)域民用無人機的航線自主優(yōu)化功能，出現(xiàn)障礙則選擇平穩(wěn)降落，不進(jìn)行新航線自主設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)和無人機自身安全。使用IMU慣性控制元件，輔助以RTK導(dǎo)航，結(jié)合Missionplanner軟件航線記憶功能，實現(xiàn)精確可靠的航線規(guī)劃。過程如下：監(jiān)測人員首先對裂縫監(jiān)測路徑進(jìn)行調(diào)研，確保所選路徑能夠獲取精確的裂縫信息，同時確保無人機在該路徑飛行時不會對中國古建筑木結(jié)構(gòu)的歷史、文化、宗教價值造成影響。

　　確定路徑后，首飛需使用一體化遙控器人工控制無人機飛行，無人機中IMU模塊將記錄可以描述飛行路徑和姿態(tài)的數(shù)據(jù)，并實時通過數(shù)傳發(fā)送至PC端的Missionplanner軟件，.kmz和.kml文件可在.tlog文件的基礎(chǔ)上創(chuàng)建，文件中包含首飛的所有信息，在低GPS信號的環(huán)境中，飛行信息主要來自于IMU慣性控制元件。將上述記錄的飛行信息再次輸入Missionplanner軟件，通過數(shù)傳傳遞至無人機，無人機將能執(zhí)行相同的飛行路線、飛行姿態(tài)等，以實現(xiàn)后續(xù)無人機自動監(jiān)測。

　　3 相機系統(tǒng)設(shè)計

　　在無人機系統(tǒng)滿足監(jiān)測所需精度的基礎(chǔ)上，相機系統(tǒng)也應(yīng)能夠提供精度較高的照片。本部分分別介紹了相機系統(tǒng)的畸變矯正過程，像素解析度標(biāo)定過程和基于特征點的機載照片拼接過程。

　　4 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

　　本節(jié)對圖像處理系統(tǒng)中的預(yù)處理算法、裂縫提取算法、構(gòu)件尺寸和構(gòu)件裂縫尺寸獲取算法進(jìn)行介紹，并使用實驗室木構(gòu)件對上述算法進(jìn)行驗證。

　　4.1 圖像預(yù)處理

　　在使用無人機對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測時，原始機載照片存在成像光線不均、拍攝噪聲多、圖像對比度差等諸多問題，這些問題會嚴(yán)重影響裂縫監(jiān)測精度。在裂縫提取前對機載照片的預(yù)處理十分重要。

　　5 驗證分析

　　為驗證上述無人機系統(tǒng)，相機系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)在中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中的有效性，使用該系統(tǒng)對北京交通大學(xué)建立的中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型中的裂縫進(jìn)行監(jiān)測。

　　5.1 監(jiān)測模型

　　本次監(jiān)測對象為北京交通大學(xué)古建筑結(jié)構(gòu)研究所為服務(wù)于中國古建筑木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所建立的中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型。此亭子模型以故宮咸福宮井亭為原型建立，木料選用紅松，相似比1∶1，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的連接形式與原井亭完全相同。亭子模型保留中國古建筑木結(jié)構(gòu)基本組成部分，即臺基部分、木構(gòu)造部分、屋頂部分。

　　該亭子模型保留這些部分的結(jié)構(gòu)功能，而去除美觀功能，例如保留斗拱均勻傳遞荷載，維持空間穩(wěn)定性的功能，去除斗拱上的漆飾。另外，中國古建筑木結(jié)構(gòu)屋頂多是美觀之用，在結(jié)構(gòu)中僅起到為木框架增加上部荷載的作用，故該模型中的屋頂可使用相同重量的鋼筋混凝土板代替。因此本文監(jiān)測對象與中國古建筑木結(jié)構(gòu)形制相同，能夠代表真實的中國古建筑木結(jié)構(gòu)，以此亭子模型驗證本文提出的系統(tǒng)的有效性是合理的。

　　6 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種基于UAV和CV的中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括無人機系統(tǒng)、相機系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。

　　(1)在無人機系統(tǒng)中，本文設(shè)計了一款適合于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機，該無人機區(qū)別于目前其他領(lǐng)域已有的民用無人機。該無人機體量輕小、易于操控、續(xù)航持久。使用AMP飛控中IMU慣性控制元件，結(jié)合Missionplanner軟件中航線記憶功能，實現(xiàn)了中國古建筑木結(jié)構(gòu)(低GPS環(huán)境)下高精度裂縫監(jiān)測航線規(guī)劃。加入超聲波元件實現(xiàn)拍攝過程中相機光心到構(gòu)件表面垂直距離的獲取。將圖傳、數(shù)傳、超聲波元件、PC端和一體化遙控器結(jié)合，為中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程提供多重安全保障。

　　(2)相機系統(tǒng)中，本文使用MATLAB中CameraCalibration工具箱修正了機載廣角相機的桶形畸變。使用平行線測量法獲取機載相機的像素解析度。中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程受拍攝距離和相機廣角等因素影響，需要引入圖像拼接技術(shù)、特征點提取和特征點匹配技術(shù)是圖像拼接的關(guān)鍵。針對特征點提取方法，本文提出了一種改進(jìn)的SIFT特征點提取方法，該方法可對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測機載相片中特征點進(jìn)行增強，有效解決了中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中無人機獲取機載相片特征點少的問題。針對特征點匹配方法，本文在BBF特征點算法的基礎(chǔ)上增加了RANSAC算法，減少特征點誤匹配現(xiàn)象，提高了圖像拼接精度，使原本“粗匹配”轉(zhuǎn)為“精匹配”，進(jìn)而提升裂縫尺寸測量精度。

　　(3)在圖像處理系統(tǒng)中，考慮中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中機載照片的特點，本文引入灰度變換、中值濾波、一階微分Sobel算子邊緣檢測對已合成矯正的機載照片進(jìn)行預(yù)處理�？紤]中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫特征，提出基于Hessian矩陣優(yōu)化的自適應(yīng)閾值分割算法，有效地將中國古建筑裂縫從背景和木紋噪聲中提取。最后應(yīng)用基于計算機視覺的尺寸測量技術(shù)，實現(xiàn)了構(gòu)件邊緣尺寸和裂縫尺寸的準(zhǔn)確測量，并通過實驗室試件進(jìn)行了驗證。

　　(4)通過北京交通大學(xué)古建筑結(jié)構(gòu)研究所建立的中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型驗證上述系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性�；�于設(shè)定的巡檢路徑，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時、長期的中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測。將中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與人工測量結(jié)果對比，驗證了本系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。

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　　作者：楊 娜1，張 翀2，李天昊1

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