基于無人機與計算機視覺的中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　摘 要：中國古建筑木結構中裂縫繁多，裂縫成因與發(fā)展規(guī)律復雜，易引起木結構構件脆斷，從而嚴重威脅中國古建筑木結構健康情況。該文基于無人機與計算機視覺技術設計了一套適用于中國古建筑木結構裂縫的監(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，該文設計了一款適合于中國古建筑木結構裂縫監(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，進行了相機畸變矯正、像素解析度標定，并提出了一種改進的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構裂縫圖像的預處理方式，并將Hessian矩陣與自適應閾值分割法融合，有效地提取了中國古建筑木結構裂縫特征，進而通過計算機視覺測量方法準確識別構件和裂縫的尺寸。最后，基于中國古建筑木結構亭子模型驗證了所提出中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

　　關鍵詞：中國古建筑木結構;結構健康監(jiān)測;裂縫;無人機;計算機視覺

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

　　計算機方向評職知識：無人機應用研究論文發(fā)表要求高嗎

　　從其他領域危險裂縫監(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。在識別出結構中危險裂縫后，應實時將該裂縫的生長情況反饋給監(jiān)測人員，方便監(jiān)測人員根據該裂縫的發(fā)展規(guī)律判斷結構是否需要修繕。但對于大多數(shù)中國古建筑木結構，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構引入了超聲波[2]、應力波[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的盲區(qū);檢測結果誤差大，且與檢測人員自身專業(yè)水平息息相關;檢測周期較長，導致其難以反饋結構突發(fā)事件， 檢測缺乏時效性。面對中國古建筑木結構裂縫，目前需要設計一種實時、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構領域沒有類似的方法，但近年來橋梁結構裂縫監(jiān)測領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構裂縫監(jiān)測存在如下問題：1)對于無人機系統(tǒng)，其他領域無人機系統(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構來說，已有無人機很難對其裂縫進行監(jiān)測;2)對于相機系統(tǒng)，中國古建筑木結構裂縫監(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，對鋼結構和混凝土結構裂縫進行監(jiān)測時，拍攝距離足夠且裂縫較為細小，因此并未使用圖像拼接技術[8]，用于無人機遙感航拍的圖像拼接技術往往可選特征多，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構和混凝土結構，這些結構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]和深度卷積神經網絡(DCNN)[11]提取裂縫信息。

　　但中國古建筑木結構裂縫與鋼結構和混凝土結構裂縫差異較大，中國古建筑木結構裂縫像素點占比多，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用。綜上所述：首先，介紹了中國古建筑木結構裂縫成因、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構裂縫監(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構亭子模型驗證本文設計的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

　　1 中國古建筑木結構裂縫特征

　　1.1 中國古建筑木結構裂縫成因與危害

　　中國古建筑木結構建造年代久遠，很多木構件上皆存在裂縫，而中國古建筑木結構裂縫成因與其他結構(鋼結構、混凝土結構)裂縫成因差異較大。中國古建筑木結構原料的生長過程和結構的建造過程均會產生裂縫，尤其是其服役過程，風吹日曬、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構產生裂縫[12]。 裂縫在后續(xù)荷載和環(huán)境作用下會進一步發(fā)展，且因木材的強正交各向異性和復雜的微觀構造導致裂縫發(fā)展規(guī)律極其復雜[13]。

　　在現(xiàn)場很難確定古建筑木結構裂縫何時開始發(fā)展以及發(fā)展的速度。但因為中國古建筑木結構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，局部的脆斷也將導致整體結構的連續(xù)性倒塌。因此相比于鋼結構和混凝土結構，古建筑木結構更需要進行實時裂縫監(jiān)測。

　　1.2 中國古建筑木結構危險裂縫評價指標

　　中國古建筑木結構中裂縫繁多，但并不是每一條裂縫的生長都會引起脆斷。因此本文設計的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)首先應識別出危險裂縫，即該裂縫繼續(xù)發(fā)展極可能造成構件斷裂，識別后對危險裂縫的生長進行實時監(jiān)測。據《古建筑木結構維護與加固技術規(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)設計

　　2.1 無人機系統(tǒng)設計依據

　　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)境適應性好，而被應用于農業(yè)灌溉、森林防火、電力和輸油管巡檢、災后評估和建筑物外觀檢查等領域，但目前國內外并沒有研究人員在中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測過程中使用無人機。不同領域需求不同，導致無人機系統(tǒng)設計存在差異，因此本研究設計了適用于中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測的無人機系統(tǒng)。展示了本文無人機系統(tǒng)的設計依據及其與目前已有無人機的差別。

　　2.2 無人機系統(tǒng)特點

　　本文設計的適用于中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測的無人機系統(tǒng)與目前已有的其他領域的無人機系統(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構狹小空間內裂縫監(jiān)測需求;2)該無人機為四旋翼，可直升直降、穩(wěn)定懸停、姿勢轉換、小角度轉彎，能夠在復雜的中國古建筑木結構中使用;3)該無人機搭設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構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，能夠實現(xiàn)40 min巡航，可滿足中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測要求;針對中國古建筑木結構內GPS信號弱的現(xiàn)象，本文設計的無人機系統(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、位置等導航參數(shù)。

　　另外，中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測航線規(guī)劃精確固定，故本文放棄目前其他領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，不進行新航線自主設計，確保結構和無人機自身安全。使用IMU慣性控制元件，輔助以RTK導航，結合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)測路徑進行調研，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構的歷史、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，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)設計

　　在無人機系統(tǒng)滿足監(jiān)測所需精度的基礎上，相機系統(tǒng)也應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)設計

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

　　4.1 圖像預處理

　　在使用無人機對中國古建筑木結構裂縫進行監(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，這些問題會嚴重影響裂縫監(jiān)測精度。在裂縫提取前對機載照片的預處理十分重要。

　　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)在中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測過程中的有效性，使用該系統(tǒng)對北京交通大學建立的中國古建筑木結構亭子模型中的裂縫進行監(jiān)測。

　　5.1 監(jiān)測模型

　　本次監(jiān)測對象為北京交通大學古建筑結構研究所為服務于中國古建筑木結構健康監(jiān)測所建立的中國古建筑木結構亭子模型。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，結構構件尺寸和結構構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構基本組成部分，即臺基部分、木構造部分、屋頂部分。

　　該亭子模型保留這些部分的結構功能，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，中國古建筑木結構屋頂多是美觀之用，在結構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構形制相同，能夠代表真實的中國古建筑木結構，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 結論

　　本文設計了一種基于UAV和CV的中國古建筑木結構裂縫監(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，本文設計了一款適合于中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測的無人機，該無人機區(qū)別于目前其他領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，結合Missionplanner軟件中航線記憶功能，實現(xiàn)了中國古建筑木結構(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合，為中國古建筑木結構裂縫監(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。中國古建筑木結構裂縫監(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、特征點提取和特征點匹配技術是圖像拼接的關鍵。針對特征點提取方法，本文提出了一種改進的SIFT特征點提取方法，該方法可對中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測機載相片中特征點進行增強，有效解決了中國古建筑木結構裂縫監(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”轉為“精匹配”，進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構裂縫監(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行預處理。考慮中國古建筑木結構裂縫特征，提出基于Hessian矩陣優(yōu)化的自適應閾值分割算法，有效地將中國古建筑裂縫從背景和木紋噪聲中提取。最后應用基于計算機視覺的尺寸測量技術，實現(xiàn)了構件邊緣尺寸和裂縫尺寸的準確測量，并通過實驗室試件進行了驗證。

　　(4)通過北京交通大學古建筑結構研究所建立的中國古建筑木結構亭子模型驗證上述系統(tǒng)的有效性和準確性�；�于設定的巡檢路徑，本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時、長期的中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測。將中國古建筑木結構裂縫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結果與人工測量結果對比，驗證了本系統(tǒng)的有效性和準確性。

　　參考文獻：

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　　作者：楊 娜1，張 翀2，李天昊1

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